Устройство для преобразования девиации частоты периодического сигнала

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для преобразования девиации частоты с любым заданным коэффициентом преобразования. Достигаемый технический результат - увеличение коэффициента преобразования девиации частоты периодического сигнала. Устройство для преобразования девиации частоты периодического сигнала содержит три смесителя, три полосных усилителя и преобразователь начальной фазы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и другим областям электронной техники, в которых используются сигналы с угловой модуляцией, и может быть использовано для преобразования девиации частоты с любым заданным коэффициентом преобразования.

В качестве аналога изобретения может быть рассмотрено известное устройство преобразования девиации частоты [1, 2], которое содержит многоступенчатый умножитель частоты, смеситель и генератор. В результате умножения частоты частотно-модулированного сигнала девиация частоты увеличивается в целое число раз, а затем спектр переносится в нужный диапазон частот. Данное устройство широко используется в радиотехнике и описано во всех учебных пособиях и монографиях.

Недостатками известного устройства являются громоздкость реализации, дискретность преобразования девиации частоты, огромная разница между частотой сигнала, поступающего на частотный модулятор, и частотой сигнала после умножения.

В результате поиска среди научных публикаций, патентов и авторских свидетельств авторами не выявлены способы преобразования (усиления) девиации частоты модулированного периодического сигнала с произвольным коэффициентом преобразования (аналогично амплитудным усилителям).

Известен способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков, заключающийся в том, что из стабильной опорной частоты вычитают первую выходную частоту и полученной разностью синхронизируют вторую выходную частоту, а вторую выходную частоту вычитают из стабильной опорной частоты и полученной разностью синхронизируют первую частоту [3]. Устройство, реализующее способ, содержит первый полосный усилитель, первый смеситель, второй полосный усилитель, второй смеситель, которые образуют замкнутый контур, а к вторым входам смесителей подключен выход опорного генератора, третий смеситель, входы которого подключены к выходам первого и второго полосных усилителей, а выход к третьему полосному усилителю. При выполнении условий баланса амплитуд и баланса фаз в данной автоколебательной системе на выходах первого и второго полосных усилителей генерируются сигналы с комбинационными частотами.

Известное устройство, реализующее способ, может быть использовано для преобразования девиации частоты периодического сигнала, так как существует возможность изменять частоты генерируемых сигналов путем изменения частоты опорного сигнала благодаря изменению условия баланса фаз.

Недостатком устройства является невозможность получения больших коэффициентов преобразования.

Цель изобретения - увеличение коэффициента преобразования девиации частоты периодического сигнала и получение любых его значений из технически реализуемого диапазона.

С этой целью в известное устройство, содержащее первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, а к выходу подключен вход второго полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, третий смеситель, к входам которого подключены выходы первого и второго полосных усилителей, а выход подключен к входу третьего полосного усилителя, выход которого является выходом устройства, а входом устройства являются соединенные вместе вторые входы первого и второго смесителей, с целью увеличения девиации частоты выходного сигнала по сравнению с девиацией частоты входного сигнала к выходу второго смесителя подключен дополнительно преобразователь начальной фазы, выход которого подключен к входу первого полосного усилителя.

С целью получения инверсной фазочастотной характеристики каскадного соединения преобразователь начальной фазы и первый полосный усилитель по отношению к фазочастотной характеристике первого полосного усилителя, преобразователь начальной фазы содержит четвертый смеситель, оба входа которого и вход многокаскадного полосного усилителя подключены к выходу четвертого полосного усилителя, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, пятый смеситель, к первому входу которого подключен выход четвертого смесителя, к второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя, а выход является выходом преобразователя начальной фазы.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются простые устройства частотной модуляции, дающие большие индексы модуляции выходных сигналов и имеющие возможность плавного изменения индекса модуляции; согласующие устройства для частотных систем автоматического управления; усилители сверхмалых девиаций частоты выходных сигналов частотных датчиков.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства.

Устройство содержит первый смеситель 1, второй смеситель 3, третий смеситель 6, первый полосный усилитель 5, второй полосный усилитель 2, третий полосный усилитель 7, преобразователь начальной фазы 4.

На фиг. 2 изображен вариант структурной схемы преобразователя начальной фазы.

Преобразователь начальной фазы содержит четвертый полосный усилитель 8, многокаскадный полосный усилитель 11, четвертый смеситель 9 и пятый смеситель 10.

На фиг.3 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала, когда его частота равна сумме частот генерируемых сигналов.

Приведены зависимости (f₂) и (f₁) эквивалентных фазочастотных характеристик.

На фиг.4 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала, когда его частота равна разности частот генерируемых сигналов.

Приведены зависимости (f₂) и (f₁) эквивалентных фазочастотных характеристик.

Резонансные частоты f₁₀ и f₂₀ первого и второго полосных усилителей выбирают в соответствии с условием: f₁₀f₂₀= f_вх0. (1) На фиг. 3 приведена структурная схема устройства для преобразования девиации частоты периодического сигнала. Устройство содержит смеситель 1, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 5, а к выходу подключен вход полосного усилителя 2, смеситель 3, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 2, а к выходу подключен вход преобразователя начальной фазы 4, выход которого подключен к входу полосного усилителя 5, смеситель 6, к входам которого подключены выходы полосных усилителей 2 и 5, а выход подключен к полосному усилителю 7, вторые входы смесителей 1 и 3 подключены к входу устройства, а выходом устройства является выход усилителя 7.

Устройство работает следующим образом.

Входной периодический частотно-модулированный сигнал со средней частотой f_вх0 подается на вторые входы смесителей 1 и 3, в которых перемножается с выходными сигналами полосных усилителей 2 и 5. Сигналы на выходах полосных усилителей 2 и 5 с частотами ₂ и f₁ генерируются, если выполнены условия баланса амплитуд и баланса фаз. Полосные усилители имеют резонансные частоты f₁₀ и f₂₀. Частота f_вх0 входного сигнала и резонансные частоты f₁₀ и f₂₀ выбираются из условия (1). Выходные сигналы балансных смесителей 1 и 3 содержат компоненты с суммарной и разностной частотами смешиваемых сигналов. На выходе полосного усилителя 2 генерируется сигнал, частота которого равна разности f_вх-f₁ или f₁-f_вх в зависимости от знака в условии (1). На выходе полосного усилителя 5 генерируется сигнал, частота которого равна f_вхf₂ в соответствии со знаком в условии (1). Благодаря преобразователю начальной фазы 4 фазочастотные характеристики полосного усилителя 2 и соединения преобразователь начальной фазы 4 и полосный усилитель 5 имеют наклоны разного знака (см. фиг.3 и 4).

Установившийся режим в рассматриваемом устройстве при выполнении условия баланса амплитуд определяется системой уравнений Если значения средней частоты входного сигнала и резонансных частот полосных усилителей отвечают условию (1), то баланс фаз по замкнутому контуру смеситель 1, усилитель 2, смеситель 3, преобразователь начальной фазы 4, усилитель 5 выполняется при нулевых фазовых сдвигах. Частоты генерируемых сигналов совпадают с резонансными частотами усилителей 2 и 5.

Смещение частоты входного сигнала относительно среднего значения нарушает условия (2). Начинается переходный процесс, заключающийся в изменении частот выходных сигналов полосных усилителей до тех пор, пока не наступит баланс фаз при новых значениях частот. Новый установившийся режим показан на фиг. 3 и 4. Ему соответствуют частоты f₁ и f₂. При определенных условиях смещения частот генерируемых сигналов много больше смещения частоты входного сигнала. Если фазочастотные характеристики (f₁) и (f₂) описываются выражениями где Q₁ и Q₂ - добротности резонансных усилителей, то, решая (2) с использованием (3) относительно генерируемых частот, получим: для верхних знаков в (2) и соответственно для нижних знаков:

В первом случае частота выходного сигнала равна разности частот (4):

Во втором случае частота выходного сигнала равна сумме частот (5):

Чувствительность частоты выходного сигнала к изменению частоты входного сигнала в обоих случаях определяется выражением

Так как знаменатель (8) может быть каким угодно малым по сравнению с числителем, то и усиление девиации может быть каким угодно большим. Видно, что изменение добротности одного из усилителей вызывает изменение девиации частоты выходного сигнала при неизменной девиации частоты входного сигнала. Происходит преобразование (усиление) девиации частоты. Коэффициент преобразования может быть достаточно большим.

Отрицательный знак в первом выражении (3) получен благодаря преобразователю начальной фазы 4. Пример структурной схемы преобразователя начальной фазы приведен на фиг.2.

Преобразователь 4 содержит смеситель 9, к обоим входам которого и к входу многокаскадного полосного усилителя 11 подключен выход полосного усилителя 8, вход которого является входом преобразователя, смеситель 10, к первому входу которого подключен выход смесителя 9, к второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя 11, а выход является выходом преобразователя.

Преобразователь начальной фазы 4 работает следующим образом.

Полосный усилитель 8 и все каскады трехкаскадного полосного усилителя 11 имеют одинаковую добротность, равную добротности полосного усилителя 5, и настроены на его резонансную частоту. При смещении частот генерируемых сигналов относительно резонансных частот в усилителе 8 и в каждом каскаде трехкаскадного усилителя 11 сигнал приобретает дополнительный фазовый сдвиг . В результате, если начальная фаза входного сигнала преобразователя 4 была , то на выходе усилителя 11 его начальная фаза будет (+4). Начальная фаза сигнала с двойной частотой на выходе смесителя 9 будет (2+2). У сигнала на выходе смесителя 10 с разностной частотой, равной частоте входного сигнала преобразователя 4, начальная фаза будет равна (2+2--4). В полосном усилителе 5 сигнал получает дополнительный фазовый сдвиг , и начальная фаза генерируемого сигнала на его выходе будет (-). Все указанное справедливо при любом значении . Эквивалентная фазочастотная характеристика каскадного соединения преобразователя начальной фазы 4 и полосного усилителя 5 будет инверсной по отношению к фазочастотной характеристике полосного усилителя 5 и соответствует первому выражению (3).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет во много раз увеличить девиацию частоты выходного сигнала по сравнению с девиацией частоты входного сигнала и создать на его основе "частотные усилители" по аналогии с амплитудными усилителями.

Источники информации
1. Картьяну Г. Частотная модуляция. Бухарест, Изд-во Меридиане, 1964 г. 972с.

2. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 432с.

3. А. с. 754442 (СССР), G 06 G 7/26. Способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков/ В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 07.08.80 г. Бюл. 29.

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования девиации частоты периодического сигнала, содержащее первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, а к выходу подключен вход второго полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, третий смеситель, ко входам которого подключены выходы первого и второго полосных усилителей, а выход подключен к входу третьего полосного усилителя, выход которого является выходом устройства, а входом устройства являются соединенные вместе вторые входы первого и второго смесителей, отличающееся тем, что, с целью увеличения девиации частоты выходного сигнала по сравнению с девиацией частоты входного сигнала, к выходу второго смесителя подключен преобразователь начальной фазы, выход которого подключен ко входу первого полосного усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью получения инверсной фазочастотной характеристики каскадного соединения преобразователь начальной фазы и первый полосный усилитель по отношению к фазочастотной характеристике первого полосного усилителя, преобразователь начальной фазы содержит четвертый смеситель, оба входа которого и вход многокаскадного полосного усилителя подключены к выходу четвертого полосного усилителя, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, пятый смеситель, к первому входу которого подключен выход четвертого смесителя, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя, а выход является выходом преобразователя начальной фазы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4