РАДИОИМПУЛЬСНОЕ УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Л. ЛАБУТИН (UA3CR)
При конструировании коротковолновых любительских радиостанций и измерительных приборов, отвечающих современным требованиям по стабильности, точности градуировки и отсчета частоты по шкале, встречаются значительные трудности. Основная из них - получение высокостабильных, точно откалиброванных опорных частот.
Наиболее простой способ получения фиксированных частот - это применение кварцевого генератора с резонаторами на соответствующие частоты. Однако не всегда бывает возможным подобрать кварцевые резонаторы на необходимые частоты, и кроме того, резонаторы имеют разброс по частоте, который не всегда удается скомпенсировать элементами подстройки. Другие распространенные способы получения фиксированных частот - это непосредственное умножение частоты низкочастотного генератора и гетеродинирование.
Способ непосредственного умножения частоты заключается в том, что на вход нелинейного элемента НЭ (рис. 1, а) подаются гармонические колебания от генератора Г, которые превращаются в последовательность прямоугольных, косинусоидальных или другой формы видеоимпульсов с периодом Т и длительностью импульса т.
Спектр видеоимпульсов (рис. 1, б) состоит из гармоник, кратных основной частоте, амплитуда которых уменьшается с увеличением номера гармоники. Поэтому использование гармоник с большими номерами нецелесообразно из-за их малого уровня и трудности отфильтровать нужную гармонику (с помощью фильтра Ф).
Энергетически выходной спектр умножителя характеризует к. п. д. преобразования
где Рс- мощность полезной гармоники; Робщ - мощность всех составляющих.
"Чистота" сигнала на выходе НЭ характеризуется коэффициентом боковых гармоник
где Uп - амплитуда полезной гармоники, Uб- амплитуда соседней гармоники.
Из таблицы видно, что с увеличением номера используемой гармоники к.п.д. преобразования уменьшается очень быстро. Поэтому использование видеоимпульсного умножителя целесообразно при коэффициенте умножения не больше нескольких единиц (обычно 3-5). Чтобы получить большие коэффициенты умножения, необходимо включать последовательно несколько каскадов умножения и усиления с элементами селекции на выходе.
| Номер гармоники,n | Косинусоидальные видеоимпульсы | Короткие прямоугольные видеоимпульсы | ||
| n | y | n | y | |
| 2 | 0,22 | - | 0,16 | 1 |
| 3 | 0,14 | 1,8 | 0,15 | 1 |
| 4 | 0,11 | 1,2 | 0,14 | 1 |
| 5 | 0,08 | 1 | 0,13 | 1 |
| 10 | 0,04 | 0,8 | 0,1 | 1 |
| 30 | 0,02 | 0,7 | 0,05 | 1 |
| 50 | 0,0 | 0,5 | 0,033 | 1 |
| 100 | 0,002 | 0,5 | 0,018 | 1 |
br> Спектр коротких прямоугольных видеоимпульсов более богат гармониками: из таблицы видно, что n с увеличением номера гармоники уменьшается медленнее, чем в случае косинусоидальных импульсов, но все же является малой величиной. Коэффициент боковых гармоник велик, и для ослабления вредных составляющих спектра требуются сложные избирательные устройства. Если сетка частот формируется методом гетеродинирования, то возникают проблемы с подбором кварцевых резонаторов, подгонкой или корректировкой их частоты. Радиоимпульсные умножители частоты Метод радиоимпульсного умножения частоты, позволяющий использовать гармоники вплоть до 1000, был впервые предложен в нашей стране В. И. Григулевичем в 1952 году. Замечательным свойством этого метода является также возможность получения почти идеального спектра. Достигается это тем, что преобразуемому сигналу придается форма последовательности импульсов с высокочастотным заполнением (радиоимпульсов), удовлетворяющим некоторым условиям. Для радиоимпульсов, так же как и для видеоимпульсов (см. рис. 1, б), форма, ширина и расстояние между гармониками спектра определяются формой, длительностью и частотой следования импульсов. Кроме того, частота заполнения импульсов определяет положение максимума огибающей спектра на оси частот. Положение же гармоник на оси частот зависит от закона изменения начальной фазы колебаний от импульса к импульсу. Если, начальные фазы высокочастотного заполнения, отдельных импульсов изменяются по случайному закону, то положение гармоник на оси частот принимает также случайные значения. Спектр такой радиоимпульсной последовательности будет сплошным (шумовым) в пределах огибающей. Если начальные фазы радиоим-пульсов когерентны, то есть радиоимпульсы как бы "вырезаны" из одного непрерывного синусоидального колебания (рис. 2, а), то максимум огибающей спектра (рис. 2, б) совпадает с частотой заполнения (fо) и положение гармоник на оси частот определяется частотой заполнения, что является недостатком данного случая.
Такие колебания можно рассматривать как непрерывные, модулированные прямоугольными импульсами.
Рис.2. Если начальные фазы Фо радиоимпульсов одинаковы и постоянны (между высокочастотным заполнением соседних импульсов существует постоянный сдвиг фаз), то последовательность импульсов становится чисто периодической (рис. 3,а). Спектр такой последовательности (рис. 3,б) состоит из гармоник, кратных частоте повторения, и не зависит от частоты заполнения.
Поэтому в данном случае имеет место эффект умножения частоты повторения. Частота гармоники с максимальной амплитудой находится вблизи частоты заполнения. Ослабление побочных гармоник, в частности двух соседних, может быть получено значительным, вследствие чего требования к фильтру на выходе умножителя могут быть существенно снижены. Быстрота уменьшения амплитуд соседних гармоник зависят от длительности импульса. Чем больше т, тем ближе к fо и чаще расположены нули огибающей, тем быстрее затухают гармоники. Значит, для повышения коэффициента полезного действия и уменьшения коэффициента боковых гармоник необходимо увеличивать отношение т/ Т. Практически достижимые максимальные значения т/T лежат в пределах 0,9- 0,95. При этом коэффициент n достигает значения 0,9, а у=0,1. Но даже при отношении т/T=0,5 радиоимпульсное умножение имеет существенное преимущество по сравнению с видеоимпульсным, обеспечивая значения n=0,5 и у=0,6. Способы построения радиоимпульсных умножителей частоты. На рис. 4 показана блок-схема гетеродина, построенная по принципу радиоимпульсного умножения частоты.
Рис.4 Колебания от кварцевого генератора КГ поступают на нелинейный элемент НЭ. Сформированные после нелинейного элемента видеоимпульсы подаются на управляющий элемент УЭ, который создает условия возникновения или срыва колебаний автогенератора Г. Стабильность его частоты не имеет существенного значения, т. к. от нее зависит .только изменение амплитуды рабочей гармоники, стабильность же частоты гармоник определяется стабильностью кварцевого генератора.
Необходимо, чтобы процесс возникновения колебаний высокочастотного заполнения происходил одинаково для каждого импульса (рис. 3,а). Подобный процесс можно осуществить только в автогенераторах. Практические схемы могут быть построены по-разному, в зависимости от того, какой из параметров используется для срыва автоколебаний. В маломощных генераторах коротковолнового диапазона целесообразно использовать схему с изменением эквивалентного сопротивления контура. Принцип работы такой схемы может быть пояснен с помощью рис. 5.
Рис.5 Контур LC является колебательной системой автогенератора Г, Параллельно колебательному контуру через разделительный конденсатор СБ подключен диод Д. На диод через резистор R подаются двухполярные видеоимпульсы с генератора ГИ. В моменты времени, когда на диод поступают положительные импульсы, диод заперт и в генераторе начинают возникать автоколебания. Во время отрицательных импульсов диод открывается и шунтирует контур. Колебания генератора срываются. Резистор R должен выбираться так, чтобы при запертом диоде он не сильно шунтировал контур. Вместо диода можно использовать транзистор или лампу. На рис. 6 приведена схема, в которой в качестве параметра возбуждения используется крутизна характеристики лампы.
Рис.6 При поступлении импульсов анодное напряжение лампы повышается, анодный ток увеличивается и возникают колебания высокой частоты. В отсутствии импульса напряжение на аноде падает и колебания срываются. Аналогичное управление крутизной можно осуществить и в сеточной цепи лампы. На рис. 7 показан вариант схемы с использованием транзисторов.
Существуют схемы, в которых параметром возбуждения служит коэффициент обратной связи. Устройства формирования импульсов необходимо хорошо экранировать во избежание просачивания гармоник. Необходима хорошая фильтрация цепей питания, соблюдение общих правил монтажа и применение развязок. Одним из радикальных методов борьбы с паразитными наводками и излучениями является формирование сигналов на малых уровнях.Поэтому применение транзисторных схем особенно целесообразно. При этом также уменьшаются габариты аппаратуры, вес, потребление энергии. Возможно, что для конструкторов любительской коротковолновой и измерительной аппаратуры описанный выше способ получения фиксированных частот окажется .заманчивым. Тогда, используя приведенные выше принципы построения схем, внося в них элементы творчества, конструкторы смогут найти этому методу свое место среди других технических решений. Литература: 1. В. И. Григулевич. Новый способ умножения частоты. "Электросвязь", 1956, № 6.
2. В. И. Григулевич, Н. Я. Иммореев. Радиоимпульсное преобразование частоты. "Советское радио", 1966.
3. И. X. Ризкин. Умножители и делители частоты. "Связь", 1966.
4. Б. Пристли. Кварцевый калибратор УКВ диапазона. "RSGB Bulletin", June, 1967.
