Удвоитель частоты – Умножители частоты — Club155.ru

удвоитель частоты - патент РФ 2440665

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике умножения частоты колебаний различных частот. Достигаемый технический результат - уменьшение длительности выходных импульсов. Удвоитель частоты содержит входной трансформатор, выводы вторичной обмотки которого соединены с соответствующими входами диодного двухполупериодного выпрямителя, один выходной полюс которого соединен с одним выводом выходного нагрузочного резистора, другой вывод этого нагрузочного резистора соединен с общей шиной, то есть заземлен, между заземленным выводом нагрузочного резистора и другим полюсом диодного двухполупериодного выпрямителя включена дополнительно резистивно-емкостная цепь из параллельно включенных конденсатора и дополнительного резистора, величина сопротивления которого должна быть выбрана значительно большей величины сопротивления нагрузочного резистора, величина емкости конденсатора должна быть выбрана такой, чтобы произведение емкости этого конденсатора на сопротивление дополнительного резистора было во много раз больше периода выходных колебаний. 9 ил.

Рисунки к патенту РФ 2440665

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике умножения частоты колебаний (в основном, гармонических) различных частот. Предлагаемое устройство предназначено для удвоения частоты колебаний в широком диапазоне частот.

Уровень техники

Известны умножители частоты (в особенности, удвоители) на основе схем двухполупериодных диодных выпрямителей с резистивной нагрузкой (см., например, [1-6]). Как известно, на выходе балансной (двухтактной) схемы двухполупериодного диодного выпрямителя с резистивной нагрузкой (без шунтирующего эту нагрузку конденсатора) при подаче на вход гармонического переменного напряжения получается однополярное напряжение в виде примыкающих друг к другу импульсов синусоидальной формы с частотой, вдвое большей частоты входного гармонического колебания. На фиг.1 приведены варианты таких схем на двух диодах (балансная с симметрирующим трансформатором на входе) и на четырех диодах (мостовая) и временные диаграммы входного гармонического и выходного напряжений. Такие схемы работают в широком диапазоне частот от низких частот НЧ [3] до СВЧ диапазона (1-8 ГГц [6] на диодах Шоттки типа 3А117А-6 и 3А119А6), который ограничивается практически частотными свойствами применяемых трансформаторов. Такие балансные удвоители частоты нашли применение, в частности, в частотно-измерительных устройствах [4, 5] при построении т.н. декадных умножителей частоты (в 10 раз). Такие декадные умножители [4, 5] содержат балансные удвоители (по схеме фиг.1а), к выходу которых подключены резонансные нелинейные умножители частоты в 5 раз на биполярных транзисторах (БТ по схеме с общим эмиттером ОЭ [4] или БТ по схеме с общей базой ОБ [6] с высокодобротными нагрузочными LC-контурами в цепях коллекторов. В таких схемах декадных умножителей частоты особенно проявляется главный недостаток балансных диодных удвоителей частоты, который заключается в неудовлетворительной форме их выходных импульсов, имеющих большую длительность (более половины периода на уровне 0,5) и пологие вершины (из-за их синусоидальной формы). Известно, однако, что для получения максимального уровня нужной гармоники на выходе резонансного нелинейного умножителя частоты на БТ ток коллектора БТ должен быть получен в виде узких импульсов с углом отсечки, близким к оптимальному [3], при котором длительность этих импульсов должна быть меньше периода в число раз, равное коэффициенту умножения частоты. При этом БТ в нелинейных резонансных умножителях частоты в 5 раз должны открываться вершинами выходных импульсов балансных удвоителей частоты на уровне (он показан пунктиром на временных диаграммах фиг.1в и г), близком к амплитуде этих импульсов, где крутизна изменения напряжения на пологих вершинах выходных импульсов этих удвоителей мала. Из-за такой малой крутизны малейшие нестабильности амплитуды выходных импульсов удвоителей преобразуются в значительные (по величине) нестабильности фазы выходных колебаний нелинейных резонансных умножителей частоты (это т.н. амплитудно-фазовая конверсия).

Схемы запатентованных умножителя частоты [1] и удвоителя частоты [2] весьма усложнены по сравнению с прототипом - простой балансной схемой на двух диодах [3], показанной на фиг.1 (по-видимому для достижения заявленных целей). Недостаток прототипа - значительная амплитудно-фазовая конверсия - обусловлена, как показано выше, в неоптимальной форме выходных импульсов синусоидальной формы, имеющих большую длительность и пологие вершины.

Сущность изобретения

Целью предлагаемого изобретения является улучшение формы выходных импульсов двухтактных диодных удвоителей частоты (на основе схем двухполупериодных выпрямителей с резистивной нагрузкой), в частности, в уменьшении их длительности.

На фиг.2 и 3 приведены варианты схем предлагаемого удвоителя частоты для получения положительных и отрицательных импульсов на выходе и временные диаграммы входных и выходных напряжений, поясняющие работу этих схем удвоителей частоты. Предлагаемый удвоитель частоты отличается от прототипа тем, что между заземленным выводом резистора нагрузки (точка А), другой вывод которого соединен с одним полюсом диодного выпрямителя и с выходным выводом удвоителя частоты (точка Б), и с другим полюсом диодного выпрямителя

(точка В), включена дополнительно RC-цепь из параллельно включенных конденсатора С и дополнительного резистора RД . При этом постоянная времени этой дополнительной RC-цепи (доп) должна быть много больше максимальной величины периода выходного колебания удвоителя частоты:

При выполнении условия (1) на дополнительной RC-цепи создается постоянное напряжение Uo, по величине близкое к амплитуде Um выходных импульсов двухполупериодного выпрямителя uвыпр (t), а выходное напряжение удвоителя uвых (t), выделяющееся на резисторе нагрузки R, получается как разность напряжений uвыпр(t) - Uo и представляет по форме остроконечные импульсы (с полярностью, противоположной uвыпр (t), длительность которых (по уровню 0,5) гораздо меньше половины периода Т выходных колебаний (в отличие от прототипа).

Рассмотрим работу вариантов схем предложенного удвоителя частоты подробнее.

На фиг.1-3 показаны трансформаторы 1, через которые входное напряжение поступает на диодные выпрямители 2, к выходам которых присоединены нагрузочные резисторы (R) 3. Между заземленными выводами (нижние на схемах) этих резисторов (точка А на схемах) и другими полюсами выпрямителей (точка В на схемах на фиг.1) включены дополнительные RC-цепи (4 на фиг.2 и 3) из параллельно включенных конденсатора С и дополнительного резистора R

Д. Работа вариантов схемы предложенного удвоителя частоты (балансной на фиг.2а и 3а и мостовой на фиг.2б и 3б) поясняется временными диаграммами напряжений u(t) на фиг.2в и 3в. При подаче на входы гармонического напряжения u(t) на вторичных обмотках трансформаторов 1 получим также гармоническое напряжение на входах диодных выпрямителей 2

uвх(t)=Um·cos t.

На выходах этих двухполупериодных выпрямителей (на резисторах (R) 3 (между точками А и Б на схемах) образуется напряжение uвыпр (t) в виде однополярных импульсов синусоидальной формы с частотой вдвое большей частоты uвх (t), т.е. 2 . На дополнительной RC-цепи, включенной между точками А и В (4 на фиг.2 и 3), при выполнении условия (1) образуется практически постоянное напряжение Uo, полярность которого указана на фиг.2 и 3 за счет быстрого заряда конденсатора С через диоды 2 выпрямителей и через резистор R (3) за время нахождения диодов 2 выпрямителей в открытом состоянии и медленного разряда этого конденсатора С через дополнительный резистор RД. При этом должно выполняться дополнительное условие:

Величина этого напряжения будет близка к величине амплитуды импульсов на выходах выпрямителей 2 (при выполнении условия (2)), которая в свою очередь близка к амплитуде Um переменного напряжения uвх (t) и отличается от нее на величину прямого падения напряжения на диоде 2 (на фиг.2а и 3а) или на двух последовательно включенных диодах 2 (на фиг.2б и 3б). Выходное напряжение uвых (t) (на резисторах (R) 3) в схемах на фиг.2 и 3 получается как разность напряжений uвыпр (t) - Uo и с удвоенной частотой 2 отрицательной полярности в схемах на фиг.2а) и б) или положительной полярности в схемах на фиг.3а) и б), как показано на диаграммах фиг.2в и фиг.3в. Как видно на этих диаграммах длительности этих выходных импульсов И (по уровню 0,5) получаются гораздо меньше половины периода Т выходных колебаний (в отличие от прототипа).

Входной трансформатор 1 обеспечивает симметричное переменное напряжение на вторичной обмотке со средней точкой в балансных схемах фиг.1а, 2а и 3а (в мостовых схемах (на фиг.1б, 2б и 3б) в этих средних точках нет нужды) и, кроме того, обеспечивает надежную электрическую изоляцию выходных цепей (с заземленным нагрузочным резистором (R) 3) от входных во всех вариантах схемы предложенного удвоителя.

Источники информации

1. Умножитель частоты (Frequenzvervielfacher). Патент ФРГ № DE 3046019 А1, МКИ Н03В 19/16, 27.08.1981.

2. Удвоитель частоты. Авторское свидетельство СССР № 756602, МКИ3. Н03В 19/10, 15.08.1980, БИ 30.

3. Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. Изд 2-е. - М.: Связь, 1976, с.216.

4. Тугаринов И.М., Галкина Н.Г., Ярмолинский С.Х. Аппаратура сравнения частот кварцевых генераторов Сибирского филиала ВНИИ ФТРИ. - В сб.: Доклады научно-технического семинара «Метрология в радиоэлектронике». Часть 2. - М.: ВНИИ ФТРИ, 1970, с.62-70.

5. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов / Под ред. Б.П.Фатеева. - М.: Советское радио, 1978. - 304 с.

6. Плавский Л.Г. Умножительный тракт синтезатора сетки частот. - Приборы и техника эксперимента, 2008, № 2. - с.179.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Удвоитель частоты, содержащий входной трансформатор, выводы вторичной обмотки которого соединены с соответствующими входами диодного двухполупериодного выпрямителя, один выходной полюс которого соединен с одним выводом выходного нагрузочного резистора, соединенным с одним выходным электродом удвоителя частоты, а другой вывод этого нагрузочного резистора соединен с другим выходным электродом удвоителя частоты, который соединен с общей шиной, то есть заземлен, отличающийся тем, что между заземленным выводом выходного нагрузочного резистора и другим выходным полюсом диодного двухполупериодного выпрямителя включена дополнительно резистивно-емкостная цепь из параллельно включенных конденсатора и дополнительного резистора, величина сопротивления которого должна быть выбрана значительно больше величины сопротивления выходного нагрузочного резистора, а величина емкости конденсатора должна быть выбрана такой, чтобы произведение емкости этого конденсатора на сопротивление дополнительного резистора было во много раз больше максимальной величины периода выходных колебаний.

www.freepatent.ru

Russian HamRadio - Специальные удвоители частоты и их применение.

Очень часто в радиолюбительской практике приходится сталкиваться с ситуацией, когда традиционные схематические решения не дают положительного результата. Так появилась необходимость в создании эффективного удвоителя УКВ диапазона.

В результате поисков мне удалось найти принципиальную схему очень эффективного удвоителя, способного работать на частотах, начиная от звуковых частот, кончая частотами СВЧ диапазона. Хочу поделиться с вами некоторыми вариантами этой схемы удвоителя. Основной принцип работы схемы можно понять из обобщенного варианта, изображенного на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема удвоителя частот

Первый каскад устройства выполнен на транзисторе VT1 и представляет собой транзисторный усилитель напряжения. На вход каскада подается через конденсатор С1 сигнал с исходной частотой, затем этот сигнал усиливается транзистором VT1.

От первого каскада исходят сразу две линии – одна от истока транзистора, вторая – от коллектора. Сигналы в этих линиях примерно равны между собой по величине, но находятся в противоположных фазах.

Второй каскад устройства состоит из двух усилителей, выполненных на транзисторах VT2 и VT3. Эти два усилителя работают на один и тот же нагрузочный резистор R7, при этом каждая полуволна исходного сигнала создает на нагрузке R7 полную волну выходного сигнала, т.е. происходит процесс

удвоения частоты.

Компьютерный анализ показал, что в выходном сигнале присутствует достаточно мощная гармоника исходной частоты, поэтому через конденсатор С4 выходной удвоенный сигнал должен подаваться на полосовой фильтр.

Диапазон использования этой схемы зависит от выбранного типа высокочастотных транзисторов. Как показал компьютерный анализ, с указанными на схеме транзисторами работоспособность схемы простирается до частот 1000 МГц и выше.

На рис. 2 представлен упрощенный вариант схемы удвоителя частоты для УКВ диапазона.

Рис. 2. Упрощенная схема удвоителя частоты

В этом схеме исходный сигнал выделяется на контуре L1C1, при этом в связанных с этим контуром индуктивностях L2 и L3 выделяются два противофазных сигнала, которые усиливаются транзисторами VT1 и VT2.

На общей нагрузке этих транзисторов R3 выделяется выходной сигнал с удвоенной частотой (по сравнению с исходной частотой). Этот сигнал дальше должен пройти через полосовой фильтр, состоящий, как минимум, из двух контуров.

Интересные возможности предоставляет схема удвоителя звуковых частот, изображенная на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема удвоителя звуковых частот

В практических условиях в качестве диодов D1 и D2 можно использовать диоды типа Д219 … Д221, в качестве трансформатора Тр1 можно применить переходной трансформатор от старого транзисторного приемника.

Остальные детали пояснений не требуют. В некоторых случаях параллельно первичной обмотке трансформатора Тр1 можно подключить конденсатор постоянной емкости величиной 1 … 2 мкф

.

Если вы хотите использовать на входе сигнал достаточно высокого напряжения, то можно на входе поставит ограничительную цепочку из двух последовательно соединенных пар встречно-параллельных диодов.

Где можно использовать эту конструкцию?

· Если вам надоедают шумы и трески при приеме телеграфных сигналов, то подключите такой удвоитель на выход своего радиоприемника. Телефоны подключаются на выход удвоителя. Получаются удивительные вещи! Абсолютно никаких шумов и тресков. Чистейшего тона телеграфный

сигнал появляется внезапно, постоянно с большой громкостью. Очень впечатляющая картина!

Рис. 4. Еще одна схема удвоителя звуковых частот

· Любители пакетной связи на КВ диапазонах, а также всех прочих видов цифровой связи, страдающие от импульсных помех больше других, могут поставить такое устройство между выходом радиоприемника и входом модема.

В этом случае разнос частот в модеме должен быть не 200 Гц, а 400 Гц (т.е. разнос частот должен быть удвоен).

Преимущества:

1. Увеличивается разнос частот, что очень важно.

2. Исчезают все виды импульсных и прочих помех.

Еще один вариант подобной схемы представлен на рис. 4. Этим вариантом я пользуюсь чаще, особенно для удвоителей УКВ диапазона. Думаю, что и на звуковых частотах результаты будут хорошими.

Советую попробовать. Не пожалеете!

Г. Тяпичев (RA3XB), [email protected]

qrx.narod.ru

Каталог радиолюбительских схем. УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬСОВ.

Каталог радиолюбительских схем. УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬСОВ.

УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬСОВ

В радиолюбительской практике нередки случаи, когда требуется умножитель входной частоты импульсной последовательности на постоянный коэффициент, в частности удвоитель частоты. Так, в автомобильном тиристорном блоке электронного зажигания с импульсным накоплением энергии удвоитель частоты позволяет использовать трансформатор меньших габаритов, в цифровом тахометре при низкой частоте вращения вала двигателя он позволяет уменьшить время счета и т. п.

Такие удвоители, срабатывающие по фронту и по спаду входных импульсов, реализуют обычно с применением логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Описываемый ниже удвоитель собран на более распространенных элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ. В нем предусмотрена возможность раздельного регулирования длительности выходных импульсов при срабатывании как по фронту, так и по спаду входного импульса высокого уровня. Форма входных импульсов может быть любой, однако предпочтительнее прямоугольная, с крутыми фронтом и спадом. Амплитуда импульсов должна соответствовать логическим уровням применяемых микросхем (обычно в пределах допуска на напряжение питания).

На рис. 1 показана схема удвоителя на двух элементах ИЛИ-НЕ, а на рис. 2 — графики напряжения в его характерных точках. В начальный момент конденсатор С1 разряжен, а С2 — заряжен почти до Uпит При появлении входного импульса высокого уровня конденсатор С1 заряжается через резистор R1, а С2 — быстро разряжается через диод VD2 и выход элемента DD1.1.

При уменьшении напряжения UC2 до порогового уровня Uпор на выходе элемента DD1.2 появляется импульс высокого уровня, оканчивающийся в момент увеличения напряжения UC1 до порогового. Таким образом, продолжительность выходного импульса определяется разницей между временем зарядки tзар конденсатора С1 и временем разрядки С2 (время задержки tзар элемента можно не учитывать ввиду его относительной малости).

Прямое сопротивление диода и сопротивление открытого входа элемента малы, поэтому в большинстве случаев ими можно тоже пренебречь. В результате длительность т_вых при срабатывании по фронту входного импульса равна примерно 0,7R1 С1 Uпор = 0.5Uпит.

При спаде входного импульса конденсатор С1 разряжается через диод VD1 и выход входного формирователя (или контакты S1 переключателя, показанные на рис. 1 штриховыми линиями), а конденсатор С2 заряжается через резистор R2. Длительность т_вых при срабатывании по спаду входного импульса равна 0.7R2C2.

Удвоитель на двух элементах И-НЕ (К561ЛА7) отличается от описанного тем, что диоды в нем включены в обратном направлении. Длительность выходных импульсов при срабатывании по фронту и по спаду входного импульса высокого уровня определяется соответственно постоянными времени цепей R2C2 и R1C1. При R1=R2=680 кОм и С1=С2=1000 пф длительность выходных импульсов низкого уровня равна 500 мкс.

При работе удвоителя от механических контактов длительность выходного импульса должна превышать длительность их “дребезга”, иначе возможны сбои. Из-за разницы значений времени зарядки и разрядки конденсаторов (могут отличаться в 10...1000 раз) после первого же переключения логический элемент останется в этом состоянии до конца выходного импульса.

Времязадающие конденсаторы можно подключать не к минусовому, а к плюсовому проводу питания. При этом фазы зарядки и разрядки конденсаторов меняются местами, а графики напряжения остаются без изменений.

Удвоители можно соединять последовательно, тогда выходная частота будет в 2n раз больше входной (n — число удвоителей). Постоянная времени каждого последующего удвоителя должна быть вдвое меньше, чем предыдущего.

Удвоители могут быть реализованы на микросхемах структуры КМОП серий К176, К561, 564. Диоды — маломощные кремниевые импульсные с малым обратным током, например, серий КД520-КД522. Времязадающие конденсаторы — керамические КМ6 или аналогичные.

Описанный удвоитель можно реализовать и на микросхемах ТТЛ. При использовании элементов ИЛИ-НЕ Времязадающие резисторы следует исключить. Конденсаторы будут заряжаться через входное сопротивление Rвх логического элемента, равное 2,8...40 кОм в зависимости от серии микросхемы, а разряжаться — через диод и открытый выход элемента. Длительность выходных импульсов высокого уровня определяет емкость соответствующего конденсатора — примерно 0,33RвхC. Диоды следует применять германиевые, с малыми прямым напряжением и обратным током , например, серий Д9, Д310, ГД402.

Удвоитель на элементах И-НЕ (рис. 3) по схеме и работе не отличается от его прототипа на элементах структуры КМОП, Однако этому варианту присущи недостатки. Так, конденсатор заряжается через выход элемента, выходное сопротивление которого в состоянии 1 в несколько раз больше, чем в состоянии 0. Сопротивление времязадающего резистора должно быть больше выходного сопротивления элемента, но не должно превышать 0,2Rвх. В результате снижается интервал изменения длительности т_вых, повышается время задержки и, как следствие, ухудшаются четкость переключения элемента и защита от “дребезга” контактов.

Длительность выходных импульсов низкого уровня удвоителя — (1,1...1,2) RC. Графики напряжения в характерных точках удвоителя на элементах И-НЕ показаны на рис. 4.

Б. РОВКОВ

г. Харьков, Украина

РАДИО № 9, 1993 г., с. 39.


irls.narod.ru

Удвоитель частоты для 296.55МГц — Сайт радиолюбителей — радиолюбительские конструкции

Удвоитель частоты для 296.55МГц.

Схема
оригинальностью не отличается. Недостаток схемы в необходимости перестройки
четырьмя органами управления при радикальной смене частоты (при перестройке +
500кГц можно особо не переживать за это).

Катушки: L1 провод 1мм, 3 витка на оправке 9мм,

растянута до 10мм, шаг 4мм,

L2 провод 1мм, 2 не полных витка (полтора),

оправка 6мм, шаг 2мм, контур L2, C33

настраивается на 2xFвх (296,55
МГц).




Конденсаторы: С1 =8-30pF,
С11=47pF, C2=8-30pF,
C22=36pF, C3=10pF, C33=3-7pF,
C5=3-36pF с воздушным
диэлектриком.

Точка соединения коллектора

транзистора с линией

подбирается
экспериментально,

у меня
около 20мм от ее начала.

Полосковая
линия: медный провод диаметром 1,8мм параллельно
плате на высоте 3 мм,
длина 140мм, изогнут в виде подковы,
вписан в плату размером 7×9,5мм. Оба конца линии припаяны к фольге.
Порядок настройки: Рядом со схемой устанавливаем волномер, настроенный
на удвоенную частоту, или автоматический частотомер с куском провода вместо
антенны, подаем от раскачивающего передатчика пониженную мощность на
умножитель, при этом к его выходу должна быть подключена нагрузка в виде
двухваттного безындукционного резистора или лампы накаливания с нужным
сопротивлением. Крутим С5 до тех пор, пока микроамперметр не зафиксирует
максимальный уровень амплитуды выходного сигнала, регулировкой С1, C11, L1, C2 П-контура добиваемся оптимального согласования с
задающим передатчиком. Настройкой контура накачки L2, C33 на удвоенную
частоту, добиваемся еще большего приращения выходной мощности. Подаем полную
мощность от задающего передатчика, подстраиваем П-контур, и контур накачки,
убеждаемся по частотомеру, что настроились на правильную гармонику. Радуемся. На
выходе получается половина подводимой мощности. Если частотомер не может
схватить никакую частоту, или показывает какую либо другую, придется настройку
начать сначала.

radioportal-pro.ru

Удвоитель частоты

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике умножения частоты колебаний различных частот. Достигаемый технический результат - уменьшение длительности выходных импульсов. Удвоитель частоты содержит входной трансформатор, выводы вторичной обмотки которого соединены с соответствующими входами диодного двухполупериодного выпрямителя, один выходной полюс которого соединен с одним выводом выходного нагрузочного резистора, другой вывод этого нагрузочного резистора соединен с общей шиной, то есть заземлен, между заземленным выводом нагрузочного резистора и другим полюсом диодного двухполупериодного выпрямителя включена дополнительно резистивно-емкостная цепь из параллельно включенных конденсатора и дополнительного резистора, величина сопротивления которого должна быть выбрана значительно большей величины сопротивления нагрузочного резистора, величина емкости конденсатора должна быть выбрана такой, чтобы произведение емкости этого конденсатора на сопротивление дополнительного резистора было во много раз больше периода выходных колебаний. 9 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике умножения частоты колебаний (в основном, гармонических) различных частот. Предлагаемое устройство предназначено для удвоения частоты колебаний в широком диапазоне частот.

Уровень техники

Известны умножители частоты (в особенности, удвоители) на основе схем двухполупериодных диодных выпрямителей с резистивной нагрузкой (см., например, [1-6]). Как известно, на выходе балансной (двухтактной) схемы двухполупериодного диодного выпрямителя с резистивной нагрузкой (без шунтирующего эту нагрузку конденсатора) при подаче на вход гармонического переменного напряжения получается однополярное напряжение в виде примыкающих друг к другу импульсов синусоидальной формы с частотой, вдвое большей частоты входного гармонического колебания. На фиг.1 приведены варианты таких схем на двух диодах (балансная с симметрирующим трансформатором на входе) и на четырех диодах (мостовая) и временные диаграммы входного гармонического и выходного напряжений. Такие схемы работают в широком диапазоне частот от низких частот НЧ [3] до СВЧ диапазона (1-8 ГГц [6] на диодах Шоттки типа 3А117А-6 и 3А119А6), который ограничивается практически частотными свойствами применяемых трансформаторов. Такие балансные удвоители частоты нашли применение, в частности, в частотно-измерительных устройствах [4, 5] при построении т.н. декадных умножителей частоты (в 10 раз). Такие декадные умножители [4, 5] содержат балансные удвоители (по схеме фиг.1а), к выходу которых подключены резонансные нелинейные умножители частоты в 5 раз на биполярных транзисторах (БТ по схеме с общим эмиттером ОЭ [4] или БТ по схеме с общей базой ОБ [6] с высокодобротными нагрузочными LC-контурами в цепях коллекторов. В таких схемах декадных умножителей частоты особенно проявляется главный недостаток балансных диодных удвоителей частоты, который заключается в неудовлетворительной форме их выходных импульсов, имеющих большую длительность (более половины периода на уровне 0,5) и пологие вершины (из-за их синусоидальной формы). Известно, однако, что для получения максимального уровня нужной гармоники на выходе резонансного нелинейного умножителя частоты на БТ ток коллектора БТ должен быть получен в виде узких импульсов с углом отсечки, близким к оптимальному [3], при котором длительность этих импульсов должна быть меньше периода в число раз, равное коэффициенту умножения частоты. При этом БТ в нелинейных резонансных умножителях частоты в 5 раз должны открываться вершинами выходных импульсов балансных удвоителей частоты на уровне (он показан пунктиром на временных диаграммах фиг.1в и г), близком к амплитуде этих импульсов, где крутизна изменения напряжения на пологих вершинах выходных импульсов этих удвоителей мала. Из-за такой малой крутизны малейшие нестабильности амплитуды выходных импульсов удвоителей преобразуются в значительные (по величине) нестабильности фазы выходных колебаний нелинейных резонансных умножителей частоты (это т.н. амплитудно-фазовая конверсия).

Схемы запатентованных умножителя частоты [1] и удвоителя частоты [2] весьма усложнены по сравнению с прототипом - простой балансной схемой на двух диодах [3], показанной на фиг.1 (по-видимому для достижения заявленных целей). Недостаток прототипа - значительная амплитудно-фазовая конверсия - обусловлена, как показано выше, в неоптимальной форме выходных импульсов синусоидальной формы, имеющих большую длительность и пологие вершины.

Сущность изобретения

Целью предлагаемого изобретения является улучшение формы выходных импульсов двухтактных диодных удвоителей частоты (на основе схем двухполупериодных выпрямителей с резистивной нагрузкой), в частности, в уменьшении их длительности.

На фиг.2 и 3 приведены варианты схем предлагаемого удвоителя частоты для получения положительных и отрицательных импульсов на выходе и временные диаграммы входных и выходных напряжений, поясняющие работу этих схем удвоителей частоты. Предлагаемый удвоитель частоты отличается от прототипа тем, что между заземленным выводом резистора нагрузки (точка А), другой вывод которого соединен с одним полюсом диодного выпрямителя и с выходным выводом удвоителя частоты (точка Б), и с другим полюсом диодного выпрямителя

(точка В), включена дополнительно RC-цепь из параллельно включенных конденсатора С и дополнительного резистора RД. При этом постоянная времени этой дополнительной RC-цепи (τдоп) должна быть много больше максимальной величины периода выходного колебания удвоителя частоты:

При выполнении условия (1) на дополнительной RC-цепи создается постоянное напряжение Uo, по величине близкое к амплитуде Um выходных импульсов двухполупериодного выпрямителя uвыпр (t), а выходное напряжение удвоителя uвых (t), выделяющееся на резисторе нагрузки R, получается как разность напряжений uвыпр(t) - Uo и представляет по форме остроконечные импульсы (с полярностью, противоположной uвыпр (t), длительность которых (по уровню 0,5) гораздо меньше половины периода Т выходных колебаний (в отличие от прототипа).

Рассмотрим работу вариантов схем предложенного удвоителя частоты подробнее.

На фиг.1-3 показаны трансформаторы 1, через которые входное напряжение поступает на диодные выпрямители 2, к выходам которых присоединены нагрузочные резисторы (R) 3. Между заземленными выводами (нижние на схемах) этих резисторов (точка А на схемах) и другими полюсами выпрямителей (точка В на схемах на фиг.1) включены дополнительные RC-цепи (4 на фиг.2 и 3) из параллельно включенных конденсатора С и дополнительного резистора RД. Работа вариантов схемы предложенного удвоителя частоты (балансной на фиг.2а и 3а и мостовой на фиг.2б и 3б) поясняется временными диаграммами напряжений u(t) на фиг.2в и 3в. При подаче на входы гармонического напряжения u(t) на вторичных обмотках трансформаторов 1 получим также гармоническое напряжение на входах диодных выпрямителей 2

uвх(t)=Um·cos ωt.

На выходах этих двухполупериодных выпрямителей (на резисторах (R) 3 (между точками А и Б на схемах) образуется напряжение uвыпр (t) в виде однополярных импульсов синусоидальной формы с частотой вдвое большей частоты uвх (t), т.е. 2ω. На дополнительной RC-цепи, включенной между точками А и В (4 на фиг.2 и 3), при выполнении условия (1) образуется практически постоянное напряжение Uo, полярность которого указана на фиг.2 и 3 за счет быстрого заряда конденсатора С через диоды 2 выпрямителей и через резистор R (3) за время нахождения диодов 2 выпрямителей в открытом состоянии и медленного разряда этого конденсатора С через дополнительный резистор RД. При этом должно выполняться дополнительное условие:

Величина этого напряжения будет близка к величине амплитуды импульсов на выходах выпрямителей 2 (при выполнении условия (2)), которая в свою очередь близка к амплитуде Um переменного напряжения uвх (t) и отличается от нее на величину прямого падения напряжения на диоде 2 (на фиг.2а и 3а) или на двух последовательно включенных диодах 2 (на фиг.2б и 3б). Выходное напряжение uвых (t) (на резисторах (R) 3) в схемах на фиг.2 и 3 получается как разность напряжений uвыпр (t) - Uo и с удвоенной частотой 2ω отрицательной полярности в схемах на фиг.2а) и б) или положительной полярности в схемах на фиг.3а) и б), как показано на диаграммах фиг.2в и фиг.3в. Как видно на этих диаграммах длительности этих выходных импульсов τИ (по уровню 0,5) получаются гораздо меньше половины периода Т выходных колебаний (в отличие от прототипа).

Входной трансформатор 1 обеспечивает симметричное переменное напряжение на вторичной обмотке со средней точкой в балансных схемах фиг.1а, 2а и 3а (в мостовых схемах (на фиг.1б, 2б и 3б) в этих средних точках нет нужды) и, кроме того, обеспечивает надежную электрическую изоляцию выходных цепей (с заземленным нагрузочным резистором (R) 3) от входных во всех вариантах схемы предложенного удвоителя.

Источники информации

1. Умножитель частоты (Frequenzvervielfacher). Патент ФРГ № DE 3046019 А1, МКИ Н03В 19/16, 27.08.1981.

2. Удвоитель частоты. Авторское свидетельство СССР №756602, МКИ3. Н03В 19/10, 15.08.1980, БИ 30.

3. Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. Изд 2-е. - М.: Связь, 1976, с.216.

4. Тугаринов И.М., Галкина Н.Г., Ярмолинский С.Х. Аппаратура сравнения частот кварцевых генераторов Сибирского филиала ВНИИ ФТРИ. - В сб.: Доклады научно-технического семинара «Метрология в радиоэлектронике». Часть 2. - М.: ВНИИ ФТРИ, 1970, с.62-70.

5. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов / Под ред. Б.П.Фатеева. - М.: Советское радио, 1978. - 304 с.

6. Плавский Л.Г. Умножительный тракт синтезатора сетки частот. - Приборы и техника эксперимента, 2008, №2. - с.179.

Удвоитель частоты, содержащий входной трансформатор, выводы вторичной обмотки которого соединены с соответствующими входами диодного двухполупериодного выпрямителя, один выходной полюс которого соединен с одним выводом выходного нагрузочного резистора, соединенным с одним выходным электродом удвоителя частоты, а другой вывод этого нагрузочного резистора соединен с другим выходным электродом удвоителя частоты, который соединен с общей шиной, то есть заземлен, отличающийся тем, что между заземленным выводом выходного нагрузочного резистора и другим выходным полюсом диодного двухполупериодного выпрямителя включена дополнительно резистивно-емкостная цепь из параллельно включенных конденсатора и дополнительного резистора, величина сопротивления которого должна быть выбрана значительно больше величины сопротивления выходного нагрузочного резистора, а величина емкости конденсатора должна быть выбрана такой, чтобы произведение емкости этого конденсатора на сопротивление дополнительного резистора было во много раз больше максимальной величины периода выходных колебаний.

findpatent.ru

удвоитель частоты на трансформаторе - патент РФ 2382429

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для изменения амплитуды и удвоения частоты переменного напряжения. Технический результат состоит в повышении надежности. Удвоитель частоты имеет первичную и вторичную обмотки, сердечник и средство для создания в нем постоянной намагниченности. Отрезки сердечника, несущие первичную и вторичную обмотки, перекрестно присоединены к свободному от обмоток замкнутому магнитопроводу. Постоянная намагниченность наводится между концами отрезка со вторичной обмоткой. За счет нелинейности намагничивания и мостовой конструкции сердечника на вторичной обмотке индуцируется переменное напряжение только удвоенной частоты. 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2382429

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для удвоения частоты и преобразования амплитуды переменного напряжения. Может применяться в электротехнике в качестве составной части различных электрических схем или в виде отдельного устройства.

Известен удвоитель частоты Жоли-Эпштейна [1], состоящий из двух трансформаторов с включенными последовательно первичными обмотками. Выходная цепь образована соединенными встречно вторичными обмотками этих же трансформаторов и подключена к источнику постоянного тока, создающему смещение намагниченности (иногда для этой цели используются отдельные обмотки или постоянные магниты). При хорошей балансировке обмоток входной сигнал полностью компенсируется и на выходе возникает только переменное напряжение удвоенной частоты. Значительная амплитуда второй гармоники обусловлена неодинаковой передачей положительной и отрицательной полуволн входного напряжения из-за нелинейности кривой намагниченности сердечников и асимметрии, вызванной наведенной извне постоянной составляющей. Если объединить вторичную обмотку, пропустив ее сразу через оба сердечника, получается слегка усовершенствованный вариант удвоителя [2].

Наиболее близким к заявляемому здесь техническому решению является удвоитель частоты [3], в котором используется один сердечник, полученный совмещением двух упомянутых по отрезкам, проходящим через вторичную обмотку. Хотя в этом случае распределение магнитных потоков несколько иное, чем в двух раздельных сердечниках, принцип работы удвоителя остается прежним.

В приведенных примерах основным недостатком является наличие, по меньшей мере, двух первичных обмоток (или разнесенных секций одной обмотки), что обуславливает дополнительные сложности по их балансировке для погашения сигнала исходной частоты. В практических схемах эту проблему, как правило, решают добавлением в выходные цепи настроенного на входную частоту подавляющего резонансного фильтра. Очевидно, что при варьировании частоты данный метод не годится.

Кардинальным решением для преодоления указанной трудности является создание трансформаторного удвоителя, имеющего не разбитые на секции одну первичную и одну вторичную обмотки, что и сделано в предлагаемом устройстве (чертеж). Первичная обмотка 1 и вторичная обмотка 2 располагаются на сердечнике 3. Подмагничивание создается постоянными магнитами 4 и 5. Существенным отличием сердечника является присутствие свободного от обмоток замкнутого магнитопровода с четырьмя узлами. Из них два образованы присоединенными концами магнитопроводящего отрезка, несущего первичную обмотку, а два других - концами отрезка, несущего вторичную обмотку. Между последними узлами от одного к другому наводится постоянная намагниченность.

Принцип работы удвоителя состоит в следующем. Форма сердечника представляет собой своеобразный мост магнитных потоков (к известным схемам мостовых удвоителей не имеет отношения, поскольку те работают на дисбалансе электрических напряжений). Создаваемый первичной обмоткой магнитный поток делится в замкнутом магнитопроводе пополам. При отсутствии внешнего подмагничивания из-за симметричности подключения отрезка со вторичной обмоткой через нее не протекает никакого магнитного потока. Мост оказывается сбалансированным. При наличии магнитного смещения из-за нелинейности кривой намагничивания материала сердечника магнитные потоки в разделенных узлами соседних промежутках замкнутого магнитопровода становятся различными. При этом изменения происходят симметрично относительно центральной оси замкнутого магнитопровода.

Такая разбалансировка моста является оптимальной для передачи магнитного потока через отрезок, несущий вторичную обмотку. Поскольку внешнее подмагничивание направлено симметрично относительно концов отрезка с первичной обмоткой, разбаланс моста не зависит от полярности первичного магнитного потока, что ведет к удвоению частоты выходного напряжения относительно входного.

Несложная экспериментальная проверка подтвердила работоспособность заявленного устройства и правильность идей, лежащих в основе его конструкции.

Источники информации

1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. Справочник, Т.З. «Советская энциклопедия». Москва, 1964, с.80.

2. В.П.Миловзоров. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕХНИКА. «Высшая школа», Москва, 1966, с.455.

3. В.А.Гейгер. СХЕМЫ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ. Перевод с английского Д.А.Липмана, И.И.Ратгауза. Под общей редакцией И.Я.Лехтмана. «Государственное энергетическое издательство». Москва, 1959, с.298.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Удвоитель частоты на трансформаторе, содержащий первичную обмотку, вторичную обмотку и сердечник с собственной или наведенной постоянной составляющей намагниченности, направленной, в частности, вдоль участка, пропущенного через вторичную обмотку, отличающийся тем, что сердечник включает в себя свободный от обмоток замкнутый магнитопровод с четырьмя узлами, из которых два несоседних узла соединены между собой отрезком магнитопровода, проходящим через первичную обмотку, а два оставшихся связаны отрезком магнитопровода, проходящим через вторичную обмотку.

www.freepatent.ru

Удвоитель частоты синусоидального сигнала

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве умножителя частоты при создании радиопередающих устройств KB и УКВ диапазона.

Известен гармонический умножитель частоты [1], содержащий задающий генератор, сигнал с которого поступает на вход фазоинвертора с синфазным и противофазным выходами, формирующего гармонические синфазное и противофазное напряжения, первый полупроводниковый диод и второй полупроводниковый диод, при этом анод первого полупроводникового диода подключен к синфазному выходу фазоинвертора, а анод второго полупроводникового диода соединен с инвертирующим выходом фазоинвертора, нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к общей точке, первый транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам первого полупроводникового диода, второй транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам второго полупроводникового диода, первый конденсатор, первый вывод которого подключен к катоду первого полупроводникового диода, а второй его вывод соединен со вторым выводом нагрузочного резистора, второй конденсатор, первый вывод которого подключен к катоду второго полупроводникового диода, а второй его вывод соединен со вторым выводом нагрузочного резистора, первый резистор, первый вывод которого соединен с синфазным выходом фазоинвертора, а второй его вывод подключен к базе второго транзистора, второй резистор, первый вывод которого соединен с противофазным выходом фазоинвертора, а второй его вывод подключен к базе первого транзистора, при этом точка соединения второго вывода первого конденсатора со вторым выводом нагрузочного резистора является выходом устройства.

Но в известном устройстве уровень выходного сигнала оказывается недостаточным для применения в радиопередающих устройствах. Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является гармонический умножитель частоты [2], содержащий входной трансформатор с первичной и вторичной обмотками, к первичной обмотке которого подключен источник синусоидального сигнала, нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к общей точке схемы, первый и второй транзисторы, к базам которых подключены первые выводы соответственно первого и второго резисторов, источник питания, первый и второй выходные широкополосные трансформаторы, каждый из которых имеет первичную и вторичную обмотки, при этом один конец вторичной обмотки входного трансформатора подключен ко второму выводу первого резистора, второй конец вторичной обмотки входного трансформатора подключен ко второму выводу второго резистора, первичные обмотки первого и второго выходных трансформаторов соединены последовательно синфазно, к точке их соединения подключен потенциальный выход источника питания, общий выход которого соединен с коллекторами первого и второго транзисторов и подключен к общей точке схемы, свободный конец первичной обмотки первого выходного трансформатора соединен с эмиттером первого транзистора и подключен к точке соединения второго резистора и базы второго транзистора, свободный конец первичной обмотки второго выходного трансформатора соединен с эмиттером второго транзистора и подключен к точке соединения первого резистора и базы первого транзистора, вторичные обмотки первого и второго выходных трансформаторов соединены последовательно противофазно, свободный конец вторичной обмотки второго выходного трансформатора соединен с общей точкой схемы, а свободный конец вторичной обмотки первого выходного трансформатора подключен ко второму выводу нагрузочного резистора и является выходом умножителя.

Однако известное устройство является сложным для использования.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение устройства при одновременном увеличении выходной мощности.

Технический результат достигается тем, что в умножитель частоты синусоидального сигнала, содержащий источник синусоидального сигнала, подключенный к первичной обмотке входного трансформатора с первичной и вторичной обмотками, первый и второй транзисторы, коллекторы которых соединены между собой, первый и второй резисторы, первый вывод вторичной обмотки входного трансформатора соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с базой первого транзистора и эмиттером второго транзистора, второй вывод вторичной обмотки входного трансформатора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с базой второго транзистора и эмиттером первого транзистора, источник питания, общий выход которого соединен с общей точкой схемы, нагрузку в виде резистора, один вывод которого соединен с общей точкой схемы, дополнительно введены два дросселя, первые выводы которых соединены, к точке их соединения подключен потенциальный выход источника питания, второй вывод первого дросселя подключен к точке соединения эмиттера первого транзистора с вторым выводом второго резистора и базой второго транзистора, второй вывод второго дросселя подключен к точке соединения эмиттера второго транзистора с вторым выводом первого резистора и базой первого транзистора, а нагрузка в виде резистора подключена между общей точкой схемы и точкой соединения коллекторов обоих транзисторов, которая является выходом удвоителя частоты.

Новым качеством, не обнаруженным в патентной и научно-технической литературе, является то, что в заявленном устройстве источник питания через один дроссель подключен к точке соединения эмиттера первого транзистора и базы второго и через другой дроссель соответственно к точке соединения эмиттера второго транзистора и базы первого, что обеспечивает максимальную амплитуду коллекторных токов обоих транзисторов поочередно каждую половину периода исходного сигнала, протекающих через нагрузку от источника питания.

На фиг. 1 представлена схема удвоителя частоты синусоидального сигнала.

Удвоитель частоты содержит источник синусоидального сигнала 1, входной трансформатор 2, первый транзистор 3, второй транзистор 4, первый резистор 5, второй резистор 6, первый дроссель 7, второй дроссель 8, источник питания 9 и нагрузку в виде резистора 10.

На фиг. 2 представлены результаты моделирования работы удвоителя частоты. На фиг. 2 обозначено: а) сигнал источника 1 и напряжение на нагрузочном резисторе 10 при открытом первом транзисторе 3, б) сигнал источника 1 и напряжение на нагрузочном резисторе 10 при открытом втором транзисторе 4, в) сигнал источника 1 и выходной сигнал удвоителя.

Удвоитель частоты синусоидального сигнала работает следующим образом.

Двухполярный синусоидальный сигнал от источника 1 через выходную обмотку трансформатора 2 и резисторы 5 и 6 поступает на базы соответственно первого 3 и второго 4 транзисторов. Через подключенные к эмиттерам дроссели 7 и 8 на транзисторы 3 и 4 подается напряжение открывающей полярности от источника питания. Приложенное между базами и эмиттерами транзисторов 3 и 4 напряжение от источника исходного синусоидального сигнала 1 будет открывающей полярности для каждого транзистора через половину периода. Соответственно транзисторы 3 и 4 поочередно через половину периода исходного синусоидального сигнала открываются и их коллекторные токи каждую половину периода также поочередно протекают от источника питания через нагрузку 10. Около моментов смены полярности исходного синусоидального сигнала величина напряжения между базами и эмиттерами транзисторов оказывается недостаточной для открывания транзисторов, оба транзистора 3 и 4 одновременно запираются и в эти моменты ток от источника питания через нагрузку отсутствует. Таким образом, возникающий разрыв тока формирует на нагрузке 10 напряжение удвоенной частоты.

На фиг. 2в) показано соотношение амплитуд и частот входного и выходного сигналов предлагаемого удвоителя частоты. Для работы предлагаемого удвоителя необходимой и достаточной величиной входного сигнала является синусоидальный сигнал амплитудой 2 В. Уровень выходного сигнала зависит от напряжения питания. Путем изменения величин резисторов 5, 6, присоединенных к базам транзисторов, устанавливаются амплитуды коллекторных токов транзисторов. На фиг. 2 приведены величины сигналов при напряжении питания 28 В, величине базовых резисторов 0,5 Ом и нагрузки в виде резистора величиной 51 Ом. Величины индуктивностей обоих дросселей выбираются так, чтобы их индуктивное сопротивление на частоте входного сигнала было бы существенно меньше сопротивления нагрузки, но не шунтировало бы входные сопротивления транзисторов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. RU 2380822 С2, 09.09.2008, патент РФ. Гармонический умножитель частоты.

2. RU 2533314 С1, 02.06.2013, патент РФ. Гармонический умножитель частоты (прототип).

Удвоитель частоты синусоидального сигнала, содержащий источник синусоидального сигнала, подключенный к первичной обмотке входного трансформатора с первичной и вторичной обмотками, первый и второй транзисторы, коллекторы которых соединены между собой, первый и второй резисторы, первый вывод вторичной обмотки входного трансформатора соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с базой первого транзистора и эмиттером второго транзистора, второй вывод вторичной обмотки входного трансформатора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с базой второго транзистора и эмиттером первого транзистора, источник питания, общий выход которого соединен с общей точкой схемы, нагрузку в виде резистора, один вывод которого соединен с общей точкой схемы, отличающийся тем,что в него дополнительно введены два дросселя, первые выводы которых соединены, к точке их соединения подключен потенциальный выход источника питания, второй вывод первого дросселя подключен к точке соединения эмиттера первого транзистора с вторым выводом второго резистора и базой второго транзистора, второй вывод второго дросселя подключен к точке соединения эмиттера второго транзистора с вторым выводом первого резистора и базой первого транзистора, а нагрузка в виде резистора подключена между общей точкой схемы и точкой соединения коллекторов обоих транзисторов, которая является выходом удвоителя частоты.

edrid.ru

0 comments on “Удвоитель частоты – Умножители частоты — Club155.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *