Введение

         Умножители частоты, или как их называют в более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

         Индукционные печи с токами высокой частоты, радиосвязные, радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя – вот далеко не полный перечень областей применения умножителей частоты.

         Появление первых разработок умножителей частоты относится к 30-м и 40-м годам XX века.

         В электротехнике и электронике умножителем частоты называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз N частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний в заданном диапазоне частот с требуемой стабильностью и качеством выходного сигнала.

         Основной параметр – коэффициент умножения частоты N, определяемый как отношение частоты выходного сигнала к частоте входного:

         .

         Характерной особенностью умножителей частоты является постоянство N при изменении (в некоторой конечной области) частоты входного сигнала, а также параметров самого умножителя (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав умножителя частоты), т.е. в умножителе частоты относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается постоянной. Это важное свойство позволяет использовать умножители частоты для повышения частоты стабильных колебаний в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и других установках; при этом N может достигать 10 и более.

         Основная проблема при конструировании умножителей частоты – это уменьшение фазовой нестабильности  входных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе.

         В настоящее время выявились следующие основные методы построения умножителей частоты:

–       косвенный на базе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ);

–       прямой с использованием фильтрующих элементов на поверхностно-акустических волнах;

–       цифровой на основе вычислительных процедур.

Наиболее распространены умножители частоты, состоящие из нелинейного устройства (например, транзистора, варикапа, катушки с ферритовым сердечником) и одного или нескольких электрических фильтров. Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными входной частоте. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой , подавляя (не пропуская) остальные. Такие устройства применяются для умножения частоты гармонических колебаний.

Находят применение также умножители частоты, действие которых основано на синхронизации колебаний автогенератора. В таких приборах возбуждаются колебания с частотой , которая становится в точности равной  под действием поступающих на вход колебаний с частотой . Недостатком этих умножителей частоты является сравнительно узкая полоса значений , при которых возможна синхронизация.

Необходимо отметить, что умножители частоты с ИФАПЧ относятся к числу чрезвычайно динамичных, развивающихся систем формирования дискретного множества частот. Решающую роль при этом играют такие важнейшие преимущества умножителей частоты и ИФАПЧ, как возможность реализации высококачественных спектральных и приемлемых динамических характеристик при хороших габаритных, энергетических и других показателях.

Умножители частоты с ИФАПЧ не имеют каких либо принципиальных ограничений с точки зрения выбора частотного диапазона выходного сигнала. Практически может использоваться любой участок частотной оси: от единиц и десяткой герц до гигагерц, при этом используемая в ИФАПЧ система автоподстройки определяет быстродействие устройства.

1  Теоретическая  часть

Построение умножителей частоты (УЧ) на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) обеспечивает стабильную работу устройства при изменении частоты входного сигнала в широких пределах и позволяет повысить точность преобразования сигнала.

ИФАПЧ представляет собой импульсную систему автоматического регулирования с периодической нелинейностью, что предопределяет весьма сложные физические процессы, протекающие в ней. В УЧ из-за наличия ИФАПЧ возникает противоречивая связь между динамическими и спектральными характеристиками и видом периодической нелинейности.


На рисунке 1.1 приведена структурная схема наиболее простого УЧ с ИФАПЧ, который имеет лишь одно кольцо (контур) регулирования и по
этому носит название однокольцевого. На выходе УЧ стоит буферный каскад (БК), снижающий влияние нагрузки УЧ на генератор, управляемый по частоте (УГ). Он изображен для того, чтобы показать, что выходной сигнал  УЧ может отличаться по уровню от  и иметь частоту, определяемую УГ. Напряжение с выхода УГ одновременно подается на вход тракта обратной связи (ТОС), в котором включен делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). С помощью ДПКД частота УГ  понижается в коэффициент деления N раз. Сигнал на выходе делителя  представляет собой последовательность импульсов с частотой следования . Как и во всякой системе регулирования, для образования сигнала ошибки  в ИФАПЧ имеется датчик рассогласования, называемый обычно дискриминатором (Д). В качестве дискриминатора в ИФАПЧ используется импульсно-фазовый детектор (ИФД) или импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД). Колебания  поступают на так называемый сигнальный вход Д. На опорный вход дискриминатора подается импульсная последовательность  с частотой следования , формирующейся на выходе делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД). На вход ДФКД воздействует синусоидальный сигнал . Частота  (где  – коэффициент деления ДФКД) называется частотой сравнения. Поскольку на вход Д поступают две импульсные последовательности  и , то, строго говоря, нельзя говорить об изменении разности фаз между ними, поскольку речь идет не о гармонических сигналах. Физический смысл имеет лишь разность времени  подачи на вход Д тех или иных импульсных сигналов. Однако, учитывая квазипериодический характер , при малых отклонениях  от стационарного значения  вводят понятие разности фаз  между импульсами разных последовательностей, причем , где . Фактически речь может идти о разности фаз первых гармоник сигналов  и . В дискриминаторе происходит выделение информации о фазовом (временном) рассогласовании  между импульсами последовательностей  и  и преобразование ее в выходной сигнал  (напряжение или ток). Определение статической фазовой характеристики (или сокращенно фазовой характеристики) дискриминатора  производится в стационарном режиме при равенстве частот . При этом усреднением  во времени на интервале  находится постоянная составляющая сигнала на выходе дискриминатора . Фазовая характеристика  нелинейна и при монотонном изменении  во времени носит периодический характер.

Работа дискриминатора типа ИЧФД описывается статической частотной характеристикой . Последняя также относится к стационарному режиму работы Д и представляет собой зависимость усредненной за интервал  постоянной составляющей  от разности частот .

Выходной сигнал дискриминатора  поступает на вход сглаживающего звена – ФНЧ. Сигнал  с выхода фильтра используется непосредственно в качестве воздействия , управляющего частотой УГ. От амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик ФНЧ зависят важнейшие характеристики УЧ – динамические (устойчивость и быстродействие) и спектральные. Последовательно включенные Д и ФНЧ  образуют канал управления (КУ) системы ИФАПЧ. Информацию о разности фаз входных импульсных последовательностей  и  можно получить с помощью какого либо параметра выходного сигнала , зависящего от . В разных типах Д этот параметр различен: уровень напряжения , ширина импульсов выходного потока и др. Постоянная (в стационарном режиме) или медленноменяющаяся (в переходном режиме) составляющие этого временного процесса выделяются в ФНЧ, не входящем в дискриминатор.

В первом приближении работа такой схемы происходит следующим образом. Допустим, что система ИФАПЧ находится в стационарном режиме, когда , где  – номинальная рабочая частота (одна из дискретного множества). Если при этом коэффициент деления ДПКД равен N, то . В рассмотренном режиме синхронизма  и сигнал управления , значение  должно быть таким, чтобы скомпенсировать возникшее под воздействием дестабилизирующих факторов частотное рассогласование. Очевидно, что  (, где  – частота УГ при нулевом управляющем напряжении, т.е. начальная частота колебаний УГ).

Если требуется изменить частоту настройки УГ, то достаточно перейти к новому коэффициенту деления N. Минимальная дискретность в перестройке , т.е. шаг сетки частот , определяется частотой сравнения .

Стационарный режим, при котором частоты , соответствует рабочему режиму работы УЧ. Однако он не является единственно возможным. Во-первых, даже в стационарном режиме возможны изменения частоты УГ под действием дестабилизирующих факторов. Если они, однако, настолько медленны, что систему ИФАПЧ можно все время считать находящейся в синхронизме, то говорят, что имеет место режим синхронизма (удержания). Соответственно вводится в рассмотрение полоса удержания  – область отклонений (расстроек) частоты УГ от своего номинального значения, при которых не нарушается имевший место стационарный режим. Во-вторых, существует режим захвата, при котором в системе ИФАПЧ происходят переходные процессы от ее начального асинхронного состояния к установившемуся. Полоса захвата  – это область отклонений частоты УГ от своего номинального значения, внутри которой стационарный режим наступает всегда, т.е. при любых начальных условиях.

Известно большое число методов улучшения характеристик однокольцевых УЧ. Эти методы можно разбить на две группы:

–       основанные на принудительном уменьшении начальной расстройки УГ до значения , при котором ИФАПЧ входит в режим синхронизма;

–       основанные на расширении полосы захвата вследствие непосредственного изменения характеристик канала управления кольца ИФАПЧ в режиме захвата.


Простейшим методом, относящимся к первой группе, является предварительная установка частоты УГ вблизи требуемого номинального значения (рисунок 1.2). Для этого в схему вводится цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и дешифратор (ДШ). Весь диапазон перестройки УГ делится на ряд поддиапазонов. Предварительная установка частоты УГ производится подачей на второй вход сумматора напряжений (См) напряжения с выхода ЦАП. Точная установка частоты УГ, т.е. режим синхронизма, осуществляется затем системой ИФАПЧ.

Развитием последнего является введение системы поиска частоты. При этом установка частоты УГ производится автоматическим выбором управляющего напряжения, при котором в системе ИФАПЧ происходит захват. Для определения момента вхождения системы ИФАПЧ в указанный режим в схему вводится датчик частотного рассогласования (ДЧР) (рисунок 1.3). Штриховыми линиями обозначены другие варианты подключения ДЧР. Для формирования закона изменения управляющего сигнала включается устройство формирования кода (УФК). В простейшем случае в качестве УФК может быть использован реверсивный счетчик,
изменяющий код управления ЦАП.


Максимальное время поиска в этом случае , где n – разрядность ЦАП.

Расширить полосу захвата ИФАПЧ можно, изменив коэффициент усиления системы. На рисунке 1.4 приведена структурная схема УЧ, в которой для достижения этого эффекта в цепь управления УГ введен регулируемый усилитель (РУ).
2  Обоснование выбора схемы
2.1 Обоснование выбора структурной схемы
Умножители частоты, как правило, не являются функционально самостоятельными устройствами. Они входят в состав приемной, передающей аппаратуры, используются для гетеродирования колебаний, возбуждения усилителей мощности, а также в качестве датчика эталонных частот и др.

Различие требований к УЧ, входящим в состав радиоаппаратуры, а также непрерывное совершенствование схемотехники и элементной базы привели к созданию многочисленных структур УЧ на основе ИФАПЧ. Построение умножителей частоты на основе системы фазовой автоподстройки частоты обеспечивает стабильную работу устройства при изменении частоты входного сигнала в широких пределах и позволяет повысить точность преобразования сигнала.


На рисунке 1.5 представлена структурная схема УЧ на ИФАПЧ. При поступлении входного сигнала на фазовый детектор (ФД) в нем происходит сравнение и детектирование, т.е. выдача сигнала ошибки или рассогласования, при этом на первый вход поступает исходный сигнал, а на другой подается импульсная последовательность с частотой следования, формирующейся на делителе частоты (Делитель N). Далее через блок фильтра низких частот (ФНЧ) данный сигнал рассогласования поступает на уси
литель (УПТ), где происходит его усиление.

Усиленный сигнал поступает на генератор, управляемый напряжением (ГУН), с помощью которого формируется импульсная последовательность заданной частоты, которая и является выходным сигналом. При этом, образуя цепь обратной связи, тот же выходной сигнал подвергается делению на коэффициент, связывающий между собой частоту входного и выходного сигналов, что происходит в делителе частоты.

Если на ФД поступает импульсная последовательность с частотой меньше входного сигнала, схема формирует управляющее воздействие на ГУН для увеличения частоты. При поступлении на ФД импульсов с большей частотой происходит снижение управляющего воздействия, что приводит к уменьшению частоты следования импульсов.

2.2  Обоснование выбора электрической принципиальной схемы

Выбранная структурная схема является однокольцевым УЧ.

В настоящее время характеристики, указанные в техническом задании, хорошо реализуются на интегральных микросхемах. Основными достоинствами использования ИМС являются хорошие массо-габаритные показатели, малое энергопотребление, высокая надежность и технологичность.

         Одной из микросхем, реализующих принцип ФАПЧ, является К174ХА12 (рисунок 1.6). Она имеет типовую структуру для микросхем этого класса и представляет собой управляемый генератор – универсальную высокочастотную систему ФАПЧ с замкнутым контуром обратной связи, обеспечивающую независимую регулировку центральной частоты и полосы удержания. Микросхема содержит два фазовых детектора (ФД), основу которых составляет схема аналогового перемножителя на дифференциальных усилителях. Выходной сигнал одного из ФД пропорционален произведению входного ЧМ сигнала, поступающего на входы 12 и 13, и сигнала, поступающего с генератора, управляемого напряжением (ГУН). Второй ФД (вход 5) используется в схемах демодуляции АМ сигналов.

Основным блоком в ИМС является управляемый генератор (ГУН), от которого зависят такие параметры, как стабильность частоты выходных колебаний в диапазоне питающих напряжений и температуры, линейность модуляционных и демодуляционных характеристик, частота спектра выходного сигнала, диапазон рабочих частот. Управляемый генератор выполнен в виде эмиттерно-связанного мультивибратора, который работоспособен в широком диапазоне частот. Для минимизации температурного дрейфа частоты в нем предусмотрена температурная компенсация. Частота генератора определяется внешним частотозадающим конденсатором, подключаемым к выводам 2, 3. Изменяя номинал внешнего конденсатора в пределах  пФ, можно устанавливать частоту собственных колебаний ГУН в диапазоне  Гц. Схематическое построение генератора предусматривает возможность внешнего электронного управления частотой генерации и полосой удержания.

На вывод 6 подается управляющий ток  мА для электронной подстройки частоты генератора в пределах . Вывод 7 используется аналогичным способом для электронной регулировки полосы удержания. Фильтр НЧ образован выходным сопротивлением фазового детектора и внешними элементами, подключаемыми к выводам 14, 15 и обеспечивает необходимую полосу захвата. Номинал подключаемого конденсатора (в микрофарадах) можно определить по формуле (1.1).
,                                                                                       (1.1)
где  – необходимая полоса захвата.
         Назначение выводов микросхемы К174ХА12:
         1        – выход НЧ (АМ);

         2, 3    – выходы под частотозадающий конденсатор;

4                   – вход АМ;

5                   – выход ГУН;

6                   – электронная подстройка частоты ГУН;

7                   – регулировка полосы удержания;

8                   – общий;

9                   – выход НЧ (ЧМ);

10               – выход ФНЧ (ЧМ детектора);

11               – напряжение смещения;

12               – вход ВЧ1;

13               – вход ВЧ2;

14,15           – выходы ФНЧ;

16               – плюс .
Основные электрические параметры микросхемы К174ХА12:
            Номинальное напряжение питания , В, __________________18

         Ток потребления , мА, типовое значение _________________      8

                                                     не более ________________________ 13

         Выходное напряжение ГУН , мВ, не менее ___________ 200

        

         При эксплуатации микросхемы необходимо учитывать, что входное напряжение ЧМ сигнала  лежит в пределах 0,15 … 150 мВ.
         Графики зависимостей частоты свободных колебаний ГУН от тока управления на выводе 6 и зависимость частоты свободных колебаний ГУН от частотозадающего конденсатора представлены в приложениях.

           

            Таким образом, с выхода 9 микросхемы К174ХА12 (обозначена на принципиальной схеме DD1) сигнал управления поступает на вход 6 в ГУН, где формируется сигнал умноженной частоты. Этот сигнал поступает на делитель частоты с заданным коэффициентом деления, выполненный на цифровых счетчиках: DD2 – микросхема К561ИЕ8 (счетчик по модулю 10 с дешифратором) и DD3 – микросхема К561ИЕ1 (двоичный счетчик-делитель на 8). Счетчики питаются напряжением +5В и срабатывают на положительные тактовые импульсы. Чтобы использовать только один источник напряжения питания, необходим делитель , . На выходе делителя частоты образуется импульсная последовательность с частотой в N=80 раз меньшей, чем частота собственных колебаний ГУН. Эта последовательность поступает на вход 12 ФД (ЧМ) DD1. На второй вход ФД (ЧМ) (вход 13) подается входной сигнал с частотой . Фазовый детектор выдает сигнал рассогласования, который после прохождения ФНЧ и УПТ управляет ГУН до выравнивания . Выходной сигнал снимается с выхода 5 ГУН (DD1).

2       Расчетная часть

Устанавливаем напряжение питания микросхемы ФАПЧ =18 В.
2.1   
Расчет частотозадающего конденсатора
Частотозадающий конденсатор  определяет частоту собственных колебаний ГУН. Его номинал определим в соответствии с зависимостью частоты свободных колебаний ГУН от частотозадающей емкости (приложение А).
     =0,8 мкФ.
         Из стандартного ряда получаем:
         =0,82 мкФ.
2.2   
Расчет навесных элементов ФНЧ
ФНЧ образован выходным сопротивлением фазового детектора и внешними навесными элементами. Номинал подключаемой емкости определим по формуле (1.1).
=0,71 мкФ.
Емкость состоит из последовательно подключенных к выводам 14 и 15 конденсаторов  и . Тогда:
;

=1,42 мкФ.
Из стандартного ряда получаем:
=1,5 мкФ.
         При работе ЧМ ФД рекомендованные номиналы =51 Ом.
2.3   
Расчет цепи электронной регулировки частоты ГУН
По графику зависимости относительного диапазона перестройки частоты ГУН от тока управления (приложение Б), задавшись полосой захвата , определим максимальный ток управления =1 mА. Выходное напряжение НЧ =20 mВ. Тогда ограничительное сопротивление  находим как:
.
Рекомендованное значение .

Рекомендованное значение =0,1 мкФ.
2.4  Расчет делителя ,

         Делитель служит для установки номинального напряжения питания (+5 В) на цифровые микросхемы счетчиков.
         Ток потребления счетчиков  не более 3 mА.

=60 кОм.

=16,67 кОм.
Из стандартного ряда получим:

         

          =15 кОм.
          =45 кОм.

         

Из стандартного ряда получим:
          =47 кОм.
2.5   
Рекомендации к построению устройств с использованием ЧМ ФД микросхемы К174ХА12

На выходе устройства в качестве буферного каскада применяется последовательная RC-цепь, состоящая из резистора =1 кОм и конденсатора =0,1 мкФ (рекомендация из справочника [1]).

По каждому входу ФД ставится конденсатор с емкостью 0,1 мкФ [1].

Заключение

            Устройство, собранное по данной схеме, обеспечивает увеличение в 80 раз входной частоты последовательности прямоугольных положительных импульсов в диапазоне входных частот от 50 до 500 Гц.

         При разработке был использован принцип фазовой автоподстройки частоты, что на современном этапе развития электроники является одним из перспективных способов построения умножителей и делителей частоты.

         Данная схема отличается простотой реализации, незначительной погрешностью преобразования частоты (в выбранном режиме работы погрешность преобразования не превышает одного процента), стабильностью сигнала на выходе. Даже кратковременные провалы и пропадание сигнала на входе будут едва заметны, так как конденсаторы фильтра запомнят напряжение, которое заставит ГУН продолжать формирование необходимой выходной частоты.

         Путем простой замены счетчиков в тракте обратной связи, частотозадающего конденсатора и конденсаторов слежения можно изменять коэффициент умножения схемы в широких пределах. Однако, данная схема не позволяет реализовать умножитель с дробным коэффициентом умножения, так как он определяется параметрами счетчиков.

Список использованной литературы

1.     Атаев Д.И., Болотников В.А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры., – М.: МЭИ, 1992.

2.     Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике., М.: Энергоатомиздат, 1987.

3.     Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем., – Киев: Вища школа, 1983.

4.     Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазавой автоподстройки., – М.: Радио и связь, 1989.

5.     Справочник по интегральным микросхемам., под ред. Б.В. Тарабрина – 2-е изд., перераб. и доп., – М.: Энергия, 1981.

6.     Справочник: Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы., под ред. С.В. Якубовского., – М.: Радио и связь, 1990.