Умножитель частоты

О П И C А Н К R („...,„ с -„,„-,;.

И ЗОБРЕТЕИ ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Респубпик (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлеио 27,О6,75 (21) 214956 1/07 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) ОпубликованоО5.06.7g,Áâäлетеиь № > (45) Дата опубликования описания «8,()5.7 8, Я (51) М. Кл, Н о2 Моуы

Государственный квинтет

Совета Мнннстроа СССР ва делам нзооретеннй н открытий

П. Л. Гпузман, Б, П. Миповзоров, М. П, Капо;.,гв и В, B. К)цин (72) Авторы изобретении

Рыбинский авиационный техиопотический ин«-.ги1",,т (71) Заявитель (54) УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к автоматике и радиотехнике, может найти применение в различных устройствах для преобразования инфор мации, а также для умножения частот инфра- низкого диапазона.

Известны умножители частоты на магнитных элементах, принцип действия которых основан на сложении полувалн вторичных ЭДС ряда последовательно соединенных пиктрансформаторов (1).

Известны также умножители частоты на электронных лампах и полупроводниковых приборах, принцип действия которых основан на преднамеренном искажении входных колебаний, приводящем к появлению высших гармоник, с последующим выделением необходимой гармоники резонансными избирательными элементами (2) .

Известны также оптимальные умножители частоты на электронных лампах, работа которых основана на синтезировании вольт-амперных характеристик специальной формы, приближающейся к форме полинома Чебышева соответствующего порядка,. с целью выделения н обходимой гармоники с одновременным под;.нлением остальных гармоник (3).

Кроме того известны ступенчатый магнитIH и умножитель частоты, позволяюгций изменять коэффициент умножения без схемных изменений (4), а также умножнтель частоты (5) на магнитных сердечниках, позволяющий получить выходной импульсный сигнал умноженной частоты путем поочередного перемагничивания

5 всех сердечников импульсными сигналами двух управляющих обмоток. Поочередность перемагничивания серде яиков во времени достигается за счет различных чисел витков в, одной из цепей управляюгцих обмоток, а значит и различных МДС, созданных в сердечниках, Коэффициент умножения схемы равен числу кольцевых сердечников.

Недостатки известных умножителей частоты.

1) Умножители частоты на пиктрансформаторах при больших коэффициентах умножения

m имеют весьма сложную схему, включающую

m трансформаторов.

2) Умножители частоты с избирательными схемами обладают низкой эффективностью, так как с увеличением номера выделяемой гармоники резко уменьшается ее амплитуда, поэтому на ряду с фильтрацией требуется дополнительное усиление выходного сигнала.

3) Оптимальные умножители частоты с большим коэффициентом умножения m трудно реализуемы, имеют сложную схему и неизменный

610264 и ри данной схеме коэффициент умножения, регулировка которого невозможна.

4) Ступенчатый магнитный умножитель частоты имеет сложную схему и весьма узкий диапазон в области инфранизких частот.

Прототипом предлагаемого устройства является умножитель частоты (5), содержащий формирователь амплитудно-модулированного сигнала и ферромагнитные сердечники с расположенными на них обмотками управления, каждая из которых включена в одну из двух последовательных цепей, и выходными обмотками, соединенными последовательно по схеме сложения, причем обмотки управления первой из цепей имеют на каждом сердечнике разное число витков и каждая из них включена встречно по отношению к соответствующей обмотке второй цепи.

Это устройство имеет значительные массу и габариты: в спектре выходного сигнала имеется первая гармоника частоты входного сигнала, по величине сравнимая с амплитудой сигнала умноженной частоты; плохая форма выходного сигнала не позволяет использовать его для квазиидеального умножения; нижний предел частотного диапазона ограничен постоянной времени первой цепи обмоток управления, из-за чего устройство не может быть использовано в диапазоне инфранизких частот.

Предлагаемое устройство отличается тем.что в него введены соединенные последовательно дополнительные обмотки, расположенные IIo одной на каждом сердечнике и подключенные к формирователю амплитудно-модулированного сигнала, который через выпрямитель соединен со второй из последовательных цепей.

Концы первой цепи соединены с выводами для подключения источника постоянного напряжен ия, а выходные обмотки — с выходными выводами через вспомогательную детектирующую цепочку, причем обмотки второй цепи и выходные обмотки имеют на каждом сердечнике различное число витков.

Минимальное количество сердечников равно при четном коэффициенте умножения половине его значения, а при нечетном — половине этого коэффициента, увеличенной на един ицу.

Указанные отличия позволяют расширить функцион;л ные возможности устройства, улучшить форму выходного сигнала и уменьшить его массу и габариты.

На ц иг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого умножителя частоты; на фиг. 2 — графическая иллюстрация процесса умножения частоты.

Умножитель частоты состоит из формирователя амплитудно-модулированного сигнала на двух ферромагнитных кольцевых сердечниках 1 и 2, шестиполюсника, реализующего амплитудную характеристику гребенчатого вида, и детектирующей цепи, включающий в себя вентиль 3 и конденсатор 4. На каждом сердечнике формирователя расположена система обмоток, причем одноименные обмотки сердечников полностью идентичны. Обмотки WI сердечников, включенные последовательно и согла Ilo, подсоединены к источнику модулирующего входного сигнала U<„. Обмотки W i, соединенные последовательно и встречно, подключены к источнику сигнала несущей частоты

UH, Обмотки W, с которых снимаются амплиIO

20 тудно-модулированный сигнал, включены последовательно и встречно. Шестиполюсник, реализующий характеристику гребенчатого вида, представляет собой последовательность п1, п ... п„кольцевых ферромагнитных сердечников с системами обмоток на них.

Сердечники выполняются из материала с петлей гистерезиса, близкой к прямоугольной (ферриты, пермаллой и т.п.). Каждый сердечник с системой обмоток является по существу управляемым трансформатором, имеющим определенного вида амплитудную характеристику.

Максимально возможный коэффициент умножения для данной схемы равен удвоенному количеству сердечников шестиполюсника

m ...= 2п .

На каждом из п сердечников расположены четыре обмотки: две обмотки переменного тока (допо IHHTeльная W4 и выходная W„-) и две обмотки управления (обмотка опорного подмагничивания WI; и обмотка W2), являющиеся обмотками постоянного тока. Одноименные об25 мотки, за исключением обмоток управления и выходных обмоток, выполнены с одинаковым числом витков. Дополнительные обмотки /,. являющиеся первичными обмотками управляе мых трансформаторов, соединены последовательно и подключены к выходной цепи формирователя амплитудно-модулированного сигнала. Обмотки опорного подмагничивания WI;, служащие для начального насыщения сердечников, соединены последовательно и подключены к источнику постоянного напряжения неизменной величины. Обмотки управления W>, предназначенные для изменения магнитного состояния сердечников одновременно с изменением амплитуды входного сигнала, соединены последовательно и подключены через выпрямительный мост 5 к выходу формирователя.

4 Выходные обмотки W, являющиеся вторичными обмотками управляемых трансформаторов, соединены последовательно и согласно, т.е. по схеме сложения и подключены ко входу детектирующей цепи. С конденсатора этой цепи

45 снимается напряжение 0,.

Работает предлагаемый умножитель частоты следующим образом. В исходном состоянии, при отсутствии сигналов на обмотках W I u

Wz, все сердечники nI, n ... п„шестиполюсника под действием МДС обмоток опорного подмагничивания ЪЧ6 насыщены. При поступлении на входные обмотки WI гармонического сигнала U . sinnt с частотой а. и на обмотки

W сигнала U„sin <>t несущей частоты

p> (u» ) а) в выходных обмотках Ъ з транс55 формируется амплитудно-модулированный сигнал с частотой модуляции л.

Принципиально возможно было бы построение модулятора на одном кольцевом сердечнике. Однако при этом значительно искажается форма выходного сигнала, в связи с чем воз60 никает необходимость во втором сердечнике

610264

Формула изобретения

60 с системой обмоток, играющем роль компенсирующего элемента. Сигнал на выходе модулятора искажается в связи с тем, что в спектре сигнала, трансформированного в обмотках

W, появляется составляющая частота а.. Выполнение модулятора на двух сердечниках позволяет исключить этот эффект за счет согласного включения обмоток W i и встречного включения обмоток W . Амплитудно-модулированный сигнал с выхода формирователя поступает на последовательно соединенные обмотки

W< шестиполюсника, реализующего характеристику гребенчатого вида.

Рассмотрим результат воздействия амплитудно-модулированного сигнала на данный шестиполюсник за интервал времени, равный одному периоду Т частоты огибающей a.. По мере возрастания сигнала на входе шестиполюсника от нулевого значения до некоторой величины степень насыщения каждого сердечника изменяется в сторону уменьшения. Это объясняется тем, что вместе с ростом амплитуды входного сигнала растут МДС обмоток управления W>, создающие в каждом сердечнике магнитное поле, действующее навстречу полю, созданному соответствующей обмоткой W<.

При некотором значении амплитуды входного сигнала поля обмоток W< и W7 оказываются скомпенсированными, а дальнейший рост амплитуды входного сигнала вновь приводит сердечник к насыщению, но уже под действием поля обмотки управления W<. Следовательно, изменение амплитуды входного сигнала вызывает вначале возрастание амплитуды выходного сигнала каждого управляемого трансформатора от нуля до некоторого максимального значения, а затем убывание вновь до нуля. Таким образом, амплитудная характеристика Þå =. f, (Uc,) любого m-ного управляемого трансформатора имеет колоколообразный вид.

Так как обмотки W; всех сердечников соединены последовательно и согласно, то на выходе шестиполюсника складываются выходные

ЭДС отдельных управляемых трансформаторов, При этом в связи с тем, что обмотки управления W; выполнены с различными числами в итков, колоколообразные характеристики окавываются смещенными друг относительно друга, а выполнение условия — = —,,Р- —...=

= —" — " — " — делает их равноотстоящими между собой™по оси абсцисс. Результирующая характеристика шестиполюсника, определяем,ая как сумма всех колоколообразных характеристик

Uc. ° = f (Ы„), имеет вид гребенчатой;кривой.

Число максимумов этой кривой определяется количеством управляемых трансформаторов.

Выполняя обмотки W с неодинаковыми числами витков, можно добиться равенства всех максимумов гребенчатой характеристики.

Вид гребенчатой характеристики шестиполюсника представлен на фиг. 2 (графическая зависимость U>,,, = f („) ). Графическая иллюстрация амплитудно-модулированного колебания на входе шестиполюсника дана на графике

U =.. p(t). Зависимость от времени выходного напряжения Ug„, (t) умножителя частоты пред5

25 зо

50 ставлена также на фиг. 2. За один период

Т изменения огибающей сигнала U, поступающего на вход шестиполюсника, амплитуда огибающей выходного сигнала изменяет свое значение от максимального до минимального 2п„, раз в связи с тем, что выходная характеристика шестиполюсника имеет гребенчатый вид.

Следовательно, амплитудно-модулированный сигнал, прошедший через указанный шестиполюсник, имеет частоту огибающей, в 2п,„ раз большую, т е. 2 п а. Как видно из графиков U(t) и У .» (1А,) (фиг. 2), умножщме частоты в 2 п раз должно происходить при определенной амплитуде сигнала, чтобы амплитуда огибающей при своем изменении проходи- ла п максимумов гребенчатой характеристики

Ы,((.4.). Отсюда следует вывод, что изменяя дискретно амплитуду Усигнала U на величину, равную полуинтервалу между двумя соседними максимумами гребенчатой характеристики, можно изменять коэффициент умножения, так как количество тех максимумов, которые будет «охватывать» огибающая амплитудно-модулированного сигнала, различно. Коэффициент умножения можно изменять, таким образом, от максимального значения 2п,„до минимального значения 2, причем он может принимать все промежугочные значения 3, 4, 5 и д.

Таким образом, максимальный коэффициент умножения предлагаемого умножителя частоты равен числу полуинтервалов между соседними максимумами гребенчатой кривой шестиполюсника, которые «охватывает» амплитуда огибающей амплитудно-модулированного сигнала. Следовательно, минимальное количество сердечников шестиполюсника, необходимое при заданном коэффициенте умножения m, равно при четном m половине его значения, а при нечетном m — половине этого коэффициента, увеличенного на единицу.

Кроме преимущества; заключающегося в возможности регулировки коэффициента умножения, предлагаемая схема умножителя частоты обладает простотой, высокой надежностью, имеет малые габариты и вес, обеспечивает хорошую форму выходного сигнала.

В данной схеме имеется принципиальнач в озможность при небольших коэффициентах умножения (не более 5 — 6) получить выходной сигнал, весьма близкий по форме к идеальной синусоиде.

Наличие на выходе схемы детектирующей цепи позволяет выделить полезный сигнал, изменяющийся с умноженной частотой огибающей.

1. Умножитель частоты, содержащий формирователь амплитудно-модулированного сигнала и ферромагнитные сердечники с расположенными на них обмотками управления, каждая из которых включена в одну из двух последовательных цепей, и выходными обмоткам и, соединенными последовательно гю схеме сложения, причем обмотки управления первой

61112!14

Z7„) Znm

Фиг. !

Составитель Л. Устинкнна

Техред О. Луговая Корректор А. Грипенко

Тираж 892 Подписное

Редактор Б. Федотов

Эакаа 8031/46

ИНИИПИ Государственного комите(а (.овета Министров С(ХР по делам изобретений и открытий! !3035, Москва, Ж.З5. Раугискан наб. д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. 11роектная, 4 из цепей имеют на каждс)м сердечнике разное число витков и каждая из них вклк)чена вс)рейно по отношению к соответствующей обмотке второй цепи, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, улучшения формы выходного сигнала и уменьшения массо-габаритных показателей, в схему введены соединенные последовательно дополнительные обмотки, расположенные по одной на каждом сердечнике и подключенные к формирователю амплитудно-MOllóëèðoâàííoro сигнала, который через выпрямитель соединен со второй из последовательных цепей, кон-! в I первой цепи соединены с выводами для подключения источника постоянного напряжения, а выходные обмотки соединены с выходными выводами через вспомогательную детектируюгцую цепочку, причем обмотки второй цепи и выходные обмотки имеют на каждом сердечнике различное число витков.

2. Умножитсль ч Iclol»I по и. l, 1)ттинан)н1и1!

c4I TOM, iIT() м)1ии и(1(11>11г)1. I(();III It 1:TB» < (1)дс Illll ков равно при четном кг)эффициеите ул1111»кения половине его значения, а llри нечетн<)х1 половине этого коэффициента. увели инной на единицу.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР № 154726, Н 02 М 5/16, 1963.

2. Ризкин И. Х. Умножители и делители «;Icтоты, М., «Связь», 1966.

3. Аралов М, С. Оптимальный пентодный умножитель частоты на четыре, «Радиотехника», 1969, т. 24, № 7.

4. Патент США № 3229192, 321- — 68, 1966.

5. Патент США № 3262048, кл. 321 — 68, 1966,