3.4. УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ

Умножение частоты заключается в получении на выходе устройства колебания, частота которого в целое число раз больше частоты входного сигнала. На вход умножителя частоты обычно подается синусоидальное напряжение на выходе получают колебание с частотой Поскольку в умножителе частоты создается спектральная компонента, отсутствующая во входном сигнале, в нем должны быть применены элементы, в которых возможно образование новых спектральных составляющих (нелинейные, параметрические); построить умножитель частоты на основе линейных элементов невозможно. В настоящем параграфе рассматриваются умножители частоты на управляемых нелинейных элементах.

Рис. 3.13

На рис. 3.13 изображена принципиальная схема транзисторного умножителя частоты. При входном сигнале протекающий в выходной цепи ток оказывается несинусоидальным,

содержащим компоненту частоты и гармоники. Ставя в эту цепь достаточно добротный контур, настроенный на частоту гармоники, получим на нем почти синусоидальное напряжение частоты Обычно на вход умножителя частоты подают колебания большой амплитуды, что позволяет использовать в расчетах кусочнолинейную аппроксимацию и метод угла отсечки. Для получения большей амплитуды выходного напряжения выбирают оптимальный угол отсечки. С увеличением коэффициента умножения величина бопт уменьшается, также уменьшаются наибольшие значения коэффициентов гармоник и амплитуды полезных гармоник По этой причине подобные умножители используются лишь для умножения в 2—3 раза.

Для умножения частоты в большое число раз используется иной подход: с помощью нелинейного устройства входной гармонический сигнал периода преобразуется в последовательность коротких видеоимпульсов прямоугольной формы длительностью той же частоты с последующим выделением гармоники с помощью фильтра. Спектры прямоугольных импульсов для двух значений приведены на рис. 3.14. Чем меньше тем меньше амплитуды первых гармоник и тем медленнее убывают их величины с ростом

Рис. 3.14

Рис. 3.15

Используя импульсы с малыми удается осуществлять умножение частоты в десятки раз. На рис. 3.15 приведена схема такого умножителя частоты, основанного на использовании трансформатора с почти прямоугольной характеристикой намагничивания сердечника (рис. 3.16а). Процесс образования коротких импульсов ЭДС во вторичной обмотке трансформатора, пропорциональных в результате протекания тока через первичную обмотку поясняют рис. 3.16 б-г. Ток во вторичной обмотке трансформатора подобен (рис. 3.16г). Контур обеспечивает выделение нужной гармоники. Для получения однополярных импульсов 12 достаточно дополнить внешнюю цепь диодом (пунктир на рис. 3.15). Недостатками Данного способа умножения частоты являются, во-первых, малый

КПД вследствие рассредоточения энергии импульсов по большому числу гармоник; во-вторых, возникновение паразитной AM выходного сигнала, обычно более глубокой при больших Последнее является следствием того, что соседние с полезной, в первую очередь гармоники тока также создают на контуре некоторые напряжения; в результате их сложения с основной компонентой образуется колебание, модулированное по амплитуде частотой входного сигнала. Во многих случаях это недопустимо.

Более эффективными, но и более сложными умножителями частоты большой кратности являются радиоимпульсные умножители частоты, в которых полезная гармоника выделяется фильтром из последовательности радиоимпульсов, получающихся в результате осуществления амплитудной манипуляции несущего колебания частоты видеоимпульсами частоты входного сигнала (рис. 3.17а). В общем случае, когда частота не кратна частоте начальные фазы колебаний внутри каждого импульса оказываются разными; поэтому получающееся колебание не является периодическим. Однако, если обеспечить постоянство начальных фаз колебаний частоты внутри каждого импульса, процесс окажется периодическим с частотой В таком режиме и работают радиоимпульсные умножители частоты.

Рис. 3.16

Рис. 3.17

Спектр колебания отличается от спектра огибающей сдвигом последнего на частоту на этой частоте огибающая спектра прямоугольных радиоимпульсов максимальна (см. рис. 1.16 г и д). При радиоимпульсном умножении частоты изменение смещает огибающую спектра, но не влияет на частоты спектральных компонентов, остающихся кратными частоте Следовательно, для того чтобы полезная гармоника была наибольшей,

нужно выбирать При данном способе умножения частоты удается получать большие до 50—100.

Для ослабления соседних компонентов спектра (что необходимо для уменьшения паразитной AM) огибающая спектра должна достаточно быстро убывать при отклонении от частоты (рис. 3 176). Поэтому в таких устройствах целесообразно использовать «широкие» радиоимпульсы с отношением

Умножители частоты, на выходе которых при действии входного напряжения возникает единственная составляющая полезной частоты

считаются идеальными. В них не требуется применения фильтра на выходе, и выходное напряжение частоты свободно от паразитной AM. Переходя к нормированным переменным

и обозначая можно характеристики идеальных умножителей записать в виде

Используя тригонометрические формулы (3.9), получаем в виде полиномов Чебышева

Характеристики идеальных умножителей частоты (3.55) для и 4 построены на рис. 3.18. Характеристики умножителей в четное и нечетное число раз являются соответственно четными и нечетными функциями входного сигнала. Следует заметить, что характеристики (3.55) соответствуют идеальным умножителям частоты только в случае отсутствия влияния выходного напряжения на ток выходной цепи. Реальные умножители лишь приближенно удовлетворяют этому условию.

Рис. 3.18