Умножитель частоты квадратурных сигналов

Полезная модель относится к области радиотехники и вычислительной техники и может быть использована при обработке квадратурных сигналов, для построения измерительных устройств систем радиоавтоматики.

В умножитель частоты квадратурных сигналов, содержащий первый и второй делители, перемножитель, первый и второй квадраторы, масштабирующий усилитель и вычитатель, причем первый и второй входы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены, соответственно, с информационными входами первого и второго делителей, первый и второй входы перемножителя соединены, соответственно, с входами первого и второго квадраторов, к выходам которых подключены, соответственно, первый и второй входы вычитателя, выход перемножителя соединен с входом масштабирующего усилителя, при этом первый и второй выходы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены с выходами, соответственно, масштабирующего усилителя и вычитателя, дополнительно введены первый и второй пиковые детекторы, входы которых соединены, соответственно, с первым и вторым входами умножителя частоты квадратурных сигналов, а их выходы - с управляющими входами, соответственно, первого и второго делителей, к выходам которых подключены входы, соответственно, первого и второго квадраторов.

Использование предлагаемой полезной модели позволит обеспечить высокие метрологические характеристики предлагаемого устройства в условиях широкодиапазонного изменении частоты и амплитуды входных сигналов при их значительной амплитудной асимметрии.

1 п. ф-лы полезной модели, 1 ил.

Полезная модель относится к области радиотехники и вычислительной техники и может быть использована при обработки квадратурных сигналов, для построения измерительных устройств систем радиоавтоматики.

Известно устройство [Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов по спец. «Радиотехника» / С.И.Баскаков. - 5-е изд., - М.: Высшая школа, 2005. - (стр.283 - Рис.11.6)], включающее нелинейный элемент и резонансный усилитель, в котором используется резонансное умножение частоты. При оптимальном выборе угла отсечки тока, максимизирующего коэффициенты Берга, и настройке колебательного контура на частоту одной из высших гармоник кратных частоте входного сигнала, устройство позволяет произвести умножение частоты входного сигнала.

Однако найденное оптимальное значение угла отсечки тока будет справедливо только при фиксированном значении амплитуды возбуждающего напряжения. Коэффициент нелинейных искажений формируемого сигнала зависит, прежде всего, от амплитуды боковых (соседних) гармоник, неизбежно присутствующих на выходе нелинейного элемента. Для уменьшения нелинейных искажений применяют высокодобротные избирательные усилители или узкополосные фильтры высоких порядков. Но при изменении частоты входного сигнала необходимо производить перестройку параметров резонансного усилителя или параметров избирательного фильтра. Кроме того, устройства фильтрации с высокой добротностью обладают повышенной чувствительностью по отношению к дестабилизирующим факторам (разброс параметров и старение элементов, температурный режим, нестабильность источника питания и др.), а, следовательно, имеют сравнительно низкую стабильность своих характеристик, что отрицательно сказывается, в конечном итоге, на характеристиках формируемой гармоники выходного сигнала умножителя частоты.

Наиболее близким устройством к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является умножитель частоты квадратурных сигналов (Патент РФ 80634, МПК Н03В 19/06, опубл. 10.02.2009 г.), который содержит два квадратора, перемножитель, сумматор, блок извлечения квадратного корня, два делителя, масштабирующий усилитель и вычитатель, причем к первому входу умножителя частоты подключены вход первого квадратора и первый вход перемножителя, а ко второму входу умножителя частоты - вход второго квадратора и второй вход перемножителя, выход которого соединен с входом масштабирующего усилителя, к выходу которого подключен информационный вход первого делителя, выход которого соединен с первым выходом умножителя частоты, выход первого квадратора соединен с первым входом сумматора и первым входом вычитателя, а выход второго квадратора - с вторым входом сумматора и вторым входом вычитателя, при этом выход сумматора соединен с входом извлечения квадратного корня, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго делителей, к выходу вычитателя подключен информационный вход второго делителя, выход которого соединен с вторым выходом умножителя частоты.

Умножитель частоты обеспечивает получение на выходе квадратурных сигналов удвоенной частоты при изменении частоты и амплитуды входных сигналов в широких пределах, но только при точном равенстве амплитудных значений входных сигналов. При равенстве амплитудных значений входных сигналов на выходе блока извлечения квадратного корня всегда будет постоянное напряжение, величина которого в точности равна амплитудному значению входных сигналов. При возникновении амплитудной асимметрии на выходе блока извлечения квадратного корня кроме постоянной составляющей появляется и переменная составляющая, что в конечном итоге неизбежно приводит к искажению формируемых выходных сигналов умножителя частоты.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является улучшение метрологических характеристик умножителя частоты квадратурных сигналов.

Технический результат заключается в улучшении метрологических характеристик умножителя частоты квадратурных сигналов за счет возможности работы устройства в условиях широкодиапазонного изменении частоты и амплитуды входных сигналов при их значительной амплитудной асимметрии.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в умножитель частоты квадратурных сигналов, содержащий первый и второй делители, перемножитель, первый и второй квадраторы, масштабирующий усилитель и вычитатель, причем первый и второй входы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены, соответственно, с информационными входами первого и второго делителей, первый и второй входы перемножителя соединены, соответственно, с входами первого и второго квадраторов, к выходам которых подключены, соответственно, первый и второй входы вычитателя, выход перемножителя соединен с входом масштабирующего усилителя, при этом первый и второй выходы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены с выходами, соответственно, масштабирующего усилителя и вычитателя, дополнительно введены первый и второй пиковые детекторы, входы которых соединены, соответственно, с первым и вторым входами умножителя частоты квадратурных сигналов, а их выходы - с управляющими входами, соответственно, первого и второго делителей, к выходам которых подключены входы, соответственно, первого и второго квадраторов.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует условию «новизна».

Введение в предлагаемое устройство двух пиковых детекторов и организация новых связей между элементами, обеспечивает работу устройства в условиях широкодиапазонного изменении частоты и амплитуды входных сигналов при их значительной амплитудной асимметрии.

Полезная модель поясняется структурной схемой умножителя частоты квадратурных сигналов.

Умножитель частоты квадратурных сигналов содержит первый 1 и второй 2 делители, перемножитель 3, первый 4 и второй 5 квадраторы, масштабирующий усилитель 6, вычитатель 7, первый 8 и второй 9 пиковые детекторы, причем первый и второй входы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены, соответственно, с информационными входами первого 1 и второго 2 делителей, первый и второй входы перемножителя 3 соединены, соответственно, со входами первого 4 и второго 5 квадраторов, к выходам которых подключены, соответственно, первый и второй входы вычитателя 7, выход перемножителя 3 соединен с входом масштабирующего усилителя 6, при этом первый и второй выходы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены с выходами, соответственно, масштабирующего усилителя 6 и вычитателя 7, при этом входы первого 8 и второго 9 пиковых детекторов соединены, соответственно, с первым и вторым входами умножителя частоты квадратурных сигналов, а их выходы - с управляющими входами, соответственно, первого 1 и второго 2 делителей, к выходам которых подключены входы, соответственно, первого 4 и второго 5 квадраторов.

Работа умножителя частоты квадратурных сигналов осуществляется следующим образом.

На первый вход умножителя частоты квадратурных сигналов подается сигнал V₁(t)=А ₁sin(₀t), а на второй вход - сигнал V₂ (t)=A₂cos(₀t), где А₁ и A₂ - амплитудные значения сигналов V₁(t) и V₂(t), а ₀ - круговая частота этих сигналов, связанная с циклической частотой f₀ известным соотношением ₀=2f₀.

Коэффициенты передачи пиковых детекторов 8 и 9 практически равны единице, поэтому на их выходах формируются постоянные напряжения Е₁ и Е₂ , значения которых равны амплитудным значениям А₁ и А₂ сигналов V₁(t) и V₂(t).

Напряжения V₁₀(t) и V2₁₀(t) на выходе первого 1 и второго 2 делителей будут определяться следующими соотношениями:

V₁₀(t)=V ₁(t)/E₁=A₁sin(₀t)/A₁=V₀sin(₀t);

V₂₀(t)=V ₂(t)/E₁=A₂sin(₀t)/A₂=V₀sin(₀t),

где V₀=1 - нормированное значение амплитуды для сигналов V₁(t) и V₂ (t).

На выходе перемножителя 3 формируется сигнал

S₁(t)=A²sin(₀t)cos(₀t)=(A²/2)sin(2₀t).

Коэффициент усиления m=2 масштабирующего усилителя 6, поэтому на первом выходе умножителя частоты квадратурных сигналов будет сформирован сигнал

N₁(t)=(1/2)m sin(2₀t)=sin(2₀t)

удвоенной частоты с нормированным амплитудным значением, равным единице.

На выходах первого 4 и второго 5 квадраторов формируются сигналы:

S₂(t)=sin²(₀t) и S₃(t)=cos²(₀t), которые поступают на входы вычитателя 7.

В результате суммирования сигналов S₂(t) и S₃(t) на выходе вычитателя 7, а, следовательно, и на втором выходе умножителя частоты квадратурных сигналов будет сформирован сигнал удвоенной частоты с нормированным значением амплитуды, и сдвинутый по отношению к сигналу N₁(t) на четверть периода:

N₂(t)=S₃ (t)-S₂(t)=[cos²(₀t)-sin²(₀t)]=cos(2₀t).

Таким образом, на выходе умножителя частоты квадратурных сигналов формируются сигналы N₁(t) и N₂(t), частота которых в два раза выше частоты входных сигналов, а амплитудные значения не зависят от амплитудных значений А₁ и А₂ входных сигналов V₁(t) и V₂(t), причем амплитудные значения А₁ и A₂ этих сигналов могут изменяться произвольным образом в широких пределах.

Использование предлагаемой полезной модели позволит обеспечить работу устройства в условиях широкодиапазонного изменения частоты и амплитуды входных сигналов при их значительной амплитудной асимметрии.

Умножитель частоты квадратурных сигналов, содержащий первый и второй делители, перемножитель, первый и второй квадраторы, масштабирующий усилитель и вычитатель, причем первый и второй входы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены соответственно с информационными входами первого и второго делителей, первый и второй входы перемножителя соединены соответственно с входами первого и второго квадраторов, к выходам которых подключены соответственно первый и второй входы вычитателя, выход перемножителя соединен с входом масштабирующего усилителя, при этом первый и второй выходы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены с выходами соответственно масштабирующего усилителя и вычитателя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй пиковые детекторы, входы которых соединены соответственно с первым и вторым входами умножителя частоты квадратурных сигналов, а их выходы - с управляющими входами соответственно первого и второго делителей, к выходам которых подключены входы соответственно первого и второго квадраторов.