1. Назначение, принцип действия и основные параметры

Умножители частоты в структурной схеме радиопередатчика (см. рис. 2.1) располагаются перед усилителями мощности ВЧ или СВЧ колебаний, повышая в требуемое число раз частоту сигнала возбудителя. Умножители частоты могут также входить в состав и самого возбудителя или синтезатора частот. Для входного и выходного сигнала умножителя частоты запишем:

где n - коэффициент умножения частоты в целое число раз.

Классификация умножителей частоты возможна по двум основным признакам: принципу действия, или способу реализации функции (17.1), и типу нелинейного элемента. По принципу действия умножители подразделяют на два вида: основанные на синхронизации частоты автогенератора внешним сигналом (см. разд. 10.3), в п раз меньшим по частоте (рис. 17.1,а), и с применением нелинейного элемента, искажающего входной синусоидальный сигнал, и выделением из полученного многочастотного спектра требуемой гармоники (рис. 17.1,б).

Рис. .1. Умножители частоты

По типу используемого нелинейного элемента умножители частоты второго вида подразделяют на транзисторные и диодные.

Основными параметрами умножителя частоты являются: коэффициент умножения по частоте n; выходная мощность n-й гармоники Р n , входная мощность 1-й гармоники Р 1 , коэффициент преобразования К пр =Р n /Р 1 ; коэффициент полезного действия =Р n /Р 0 (в случае транзисторного умножителя), уровень подавления побочных составляющих.

Недостаток умножителей частоты (рис. 17.1, а) первого вида состоит в сужении полосы синхронизма с увеличением номера гармоники п. У умножителей частоты второго вида уменьшается коэффициент преобразования К пр с повышением п. Поэтому обычно ограничиваются значением n = 2 или 3 и при необходимости включают последовательно несколько умножителей частоты, чередуя их с усилителями.

2. Транзисторный умножитель частоты

Схема транзисторного умножителя частоты (рис. 17.2) и методика его расчета практически ничем не отличаются от усилителя.

Необходимо только выходную цепь генератора настроить на n-ю гармонику и выбрать значение угла отсечки =120/n, соответствующее максимальному значению коэффициента  n (). При расчете выходной цепи коэффициент разложения косинусоидального импульса по 1-й гармонике  1 () следует заменить на коэффициент по n-й гармонике  n (). Контур в выходной цепи, настроенный в резонанс с n-и гармоникой сигнала, должен обладать удовлетворительными фильтрующими свойствами.

Рис. 17.2. Схема транзисторного умножителя частоты

Коэффициент умножения схемы на рис. 17.2 обычно не превышает 3–4 раз при КПД, равном 10–20%.

3. Диодные умножители частоты

Работа диодных умножителей частоты основана на использовании эффекта нелинейной емкости. В качестве последней используется барьерная емкость обратно смещенного р-n-перехода. Полупроводниковые диоды, специально разработанные для умножения частоты, называются варакторами. При =0,5 и  0 =0,5 В для нелинейной емкости варактора получим:

, (2)

где и - обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу.

График нелинейной функции (17.2) показан на рис. 17.3.

Рис. 17.3. График нелинейной функции

Заряд, накапливаемый нелинейной емкостью, с напряжением и током связаны зависимостями:

, (3)

Две основные схемы диодных умножителей частоты с варакторами приведены на рис. 17.4.

Рис. 17.4. Диодные умножители частоты с варакторами

В схеме диодного умножителя параллельного вида (рис. 17.4, а) имеются два контура (или фильтра) последовательного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного  и выходного n сигналов. Такие контуры имеют малое сопротивление на резонансной частоте и большое - на всех остальных (рис. 17.5).

Рис. 17.5.Зависимость сопротивления контура от частоты

Поэтому первый контур, настроенный в резонанс с частотой входного сигнала о, пропускает только 1-ю гармонику тока, а второй контур, настроенный в резонанс с частотой выходного сигнала n, - только n-ю гармонику. В результате ток, протекающий через варактор, имеет вид:

Поскольку емкость варактора (17.2) есть нелинейная функция, то согласно (17.3) при токе (17.4) напряжение на варакторе отлично от синусоидальной формы и содержит гармоники.

Одна из этих гармоник, на которую настроен второй контур, проходит в нагрузку.

Таким образом, с помощью нелинейной емкости в устройстве происходит преобразование мощности сигнала с частотой  в сигнал с частотой n, т.е. умножение частоты.

Аналогичным образом работает вторая схема умножителя частоты последовательного вида (рис. 17.4, б), в которой имеется два контура (или фильтра) параллельного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного  и выходного n сигналов. Такие контуры имеют большое сопротивление на резонансной частоте и малое - на всех остальных. Поэтому напряжение на первом контуре, настроенном в резонанс с частотой входного сигнала , содержит только 1-ю гармонику, а на втором контуре, настроенном в резонанс с частотой выходного сигнала n, - только n-ю гармонику. В результате напряжение, приложенное к варактору, имеет вид:

где U 0 - постоянное напряжение смещения на варакторе.

Поскольку емкость варактора (17.2) есть нелинейная функция, то согласно (17.3) при напряжении (17.5) ток, протекающий через варактор, отличен от синусоидальной формы и содержит гармоники. Одна из этих гармоник, на которую настроен второй контур, проходит в нагрузку. Таким образом, с помощью нелинейной емкости в схеме происходит преобразование мощности сигнала с частотой  в сигнал с частотой n, т.е. умножение частоты.

Варакторные умножители частоты в ДЦВ диапазоне при n=2 и 3 имеют высокий коэффициент преобразования К пр =P n /P 1 =0,6…0,7. При больших величинах п в СВЧ диапазоне значение К пр уменьшается до 0,1 и ниже.

Идея создания простого, качественного и компактного умножителя частоты родилась, когда мне потребовалось поднять опорную частоты тактового генератора для DDS генератора AD9956 с 10 МГц до 100 МГц. Я стал рассматривать различные варианты, и тут под руку попалась микросхема ICS601-01 (стоимость на Ali ~5-6$). Это микросхема поверхностного монтажа работает с входной частотой от 10 МГц до 27 МГц и умножает ее максимум до 157 МГц. Причем коэффициент умножения задается внешними 4-мя ножками, путем формирования цифрового кода коэффициента усиления, что очень удобно, если надо быстро менять выходную частоту. Выходным сигналом является меандр, что является плюсом для тактирования цифровых схем.

Однако, открыв datasheet я не увидел привычной схемы типового проекта. Именно в этот момент родилась идея написать эту статью.

Итак цоколевка микросхемы представлена на рисунке ниже.

Перерыв весь интернет, и покопавшись на форумах было решено собрать умножитель по следующей схеме ниже. Мне было необходимо предусмотреть два выхода, но вы вполне можете не использовать второй выход. Резисторы R2, R3 по 33 Ома это значение рекомендует изготовитель. Значение резистора R1 не критично, он замыкает на землю ножку REFEN тем самым отключая выход REFOUT с буферной частотой (лично я поставил 1 кОм). Все конденсаторы в схеме типовые, C1, C2 и C3 производитель рекомендует значения 10, 0.1, 0.01 мкФ, а конденсаторы С4 и С5 это типовые конденсаторы стабилизатора 7805. Сам стабилизатор ставить необязательно, вполне можно питать схему 5 В из вне, но я решил так. Питание микросхемы тоже не критично, от 3 до 5 вольт.

В целом ничего сложного, цифровой код коэффициента задается dip переключателями, однако ничего не мешает сделать жесткие перемычки.

Плата легко была разведена на одном слое, второй был залит полигоном земли. Получившуюся схему отправил в Китай. Gerber проект прикрепляю к статье.

В итоге через пару недель мне пришел мой заказ и начал сборку и испытания. На фото ниже собранный умножитель.

После монтажа я приступил к тестам работы умножителя. Для наглядности я прикрепляю фотографии осциллограмм.

Результат работы умножителя очень порадовал. Кто заинтересовался этой микросхемой рекомендую посмотреть всю линейку микросхем ICS601. Различные микросхемы умножителей, с различными дополнительными функциями.

Надеюсь статья кому нибудь поможет. Всем стабильной частоты!

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
D1	Умножитель/делитель	ICS601-01	1			В блокнот
U1	Линейный регулятор	LM7805	1			В блокнот
R1	Резистор	1 кОм	1			В блокнот
R2, R3	Резистор	33 Ом	2			В блокнот
C1	Конденсатор	0.01 мкФ	1			В блокнот
C2	Конденсатор	0.1 мкФ	1			В блокнот
C3	Конденсатор	1 мкФ	1			В блокнот
C4	Конденсатор	10 мкФ	1

1. Введение

2. Обзор методов решения аналогичных задач

3. Выбор обоснования и предварительный расчёт структурной схемы

4. Описание принципа работы структурной схемы

5. Описание схемы электрической и электрический расчёт

6. Расчёт на ЭВМ

7. Заключение

8. Список литературы

9. Перечень элементов к электрической схеме

1. 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.

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.

Также, в отличие от обычных умножителей частоты умножители на фазовращателях могут обеспечить спектрально чистый, не требующий фильтрации выходной сигнал. Используя для расщепления фазы широкополосные фазово-разностные цепи, можно реализовать частотно-независимые умножители, работающие в диапазоне, который перекрывает множество октав.

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.

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.

2. Обзор методов решения аналогичных задач

Рассмотрим некоторые схемы и методы построения умножителей частоты. Процесс умножения частоты на нелинейном элементе сводится к следующему: входной сигнал воздействует на нелинейный элемент или на нелинейный резонатор, в результате чего синусоидальное колебание превращается в периодическое несинусоидальное, которому соответствует бесконечный ряд синусоидальных составляющих. Затем резонатор выделяет ту составляющую, на которую он настроен, в результате чего на выходе выделенная гармоника преобладает над всеми остальными.

Величины побочных гармоник определяется добротностью резонатора, и для того, чтобы их уменьшить, необходимо увеличивать добротность резонаторов. Однако величина добротности резонаторов особенно на длинных и коротких волнах ограничена, и в этом случае для ослабления побочных гармоник применяют специальные фильтры или различные буферные каскады.

Основным показателем умножителя частоты на пассивном нелинейном элементе является коэффициент полезного действия η, под которым понимается отношение мощности N-ой гармоники в нагрузке к мощности, потребляемой от возбудителя:

Столь малые значения к.п.д. обусловлены тем, что из-за выпрямительных свойств нелинейного активного сопротивления большая часть мощности возбудителя преобразуется в мощность постоянного тока и выделяется в цепи смещения.

Если для цепей умножения частоты применять нелинейное реактивное сопротивление, то из-за отсутствия в таком нелинейном элементе потерь мощности при идеальной фильтрации во входной и выходной цепях к.п.д. умножителя будет равен.

В качестве нелинейного реактивного сопротивления в умножителях частоты обычно используют нелинейную ёмкость p -n перехода.

Рисунок 2.1 . Структурная схема умножителя частоты на нелинейном элементе. 1 – фильтр, настроенный на гармонику, близкую к первой; n – фильтр, настроенный на n-ую гармонику.

Принцип работы умножителей на фазовращателях показан на рис.2.2. Частота синусоидального сигнала умножается на N путем разделения входного напряжения на N различных фаз, равноудаленных друг от друга в диапазоне 360°. N сигналов с различными фазами управляют N транзисторами, работающими в режиме класса С, выходные сигналы которых объединяются для формирования импульса через каждые 360°/N градусов. Благодаря использованию N транзисторов мощность входного сигнала может быть в N раз выше мощности, необходимой для насыщения транзистора.

Рисунок 2.2 . Структурная схема умножителя частоты на фазовращателях.

Схема простого умножителя частоты с переменным коэффициентом умножения и жесткой синхронизацией выходных сигналов по отношению к входным приведена на рис. 2.3. Он состоит из генератора импульсов на трех инверторах DD1.1-DD1.3 и синхронизирующего каскада на транзисторе VT1.

Когда входные синхроимпульсы отсутствуют, мультивибратор на DD1.1-DD1.3 работает в обычном режиме. Если в генераторе использована микросхема с двумя защитными диодами на входе, длительность перезарядки конденсатора C1 для любой полярности одинакова и период импульсов составит 1,4 R3 C1, а частота f - 0,7/(R3 C1).

При поступлении на вход VT1 положительных импульсов частоты F вх (рис. 2.3) транзистор в моменты t 1 ,t 3 открывается, что приводит к срыву процесса периодической перезарядки. После закрывания его с момента t 2 , t 4 процесс генерации возобновляется.Генератор формирует импульсы, синхронные по отношению к входным с частотой

F вых = kF вх, (2.3)

Рисунок 2.3 . Принципиальная схема умножителя частоты с жёсткой синхронизацией.

где k - переменный коэффициент умножения,определяемый элементами R3, C1, а F вх - частота входных импульсов.

В качестве элементов DD1 можно использовать любые инверторы микросхем серий К176, К561, КР1561. Кроме того, элементы DD1.1, DD1.2 могут быть без инверсии (буферы) или с гистерезисом (триггеры Шмитта).Транзистор серии КТ315 допустимо заменить другим аналогичным.

Это устройство при подаче на вход импульсов строчной частоты телевизионной развертки позволяет выделять строго определенные участки строки растра для формирования или считывания информации.

Так же умножитель частоты можно спроектировать на резонансном усилительном каскаде. Резонансным называется усилитель, нагрузкой которого служит резонансный контур, настроенный на частоту усиливае­мого сигнала. Для настройки в контуре используется переменное реактивное сопротивление. Резонансные усилители являются из­бирательными высокочастотными усилителями. В радиотехнике они предназначаются для выделения из действующих на входе сигналов с разными частотами лишь группы сигналов с близкими частотами, которые несут нужную информацию. К резонансным усилителям предъявляются требования возможно большего уси­ления, высокой избирательности и стабильности, малого уровня шумов, удобства управления и др.

В резонансных усилителях транзистор можно включить с ОЭ, ОБ и ОК. В большинстве случаев используется схема с оэ, обес­печивающая максимальное усиление по мощности с малым уров­нем шумов. В ряде случаев на достаточно высоких для выбранного транзистора частотах используется схема с ОБ. Колебательный контур в усилитель можно включить по автотрансформаторной, двойной автотрансформаторной, трансформаторной и емкостной схемам.

Рисунок 2.4 . Принципиальная схема умножителя частоты на резонансном усилительном каскаде.

3. Выбор обоснования и предварительный расчёт структурной схемы

Задача обеспечения стабильной работы транзисторного умножителя, как правило, решается более сложно, чем для усилителя, поскольку состав высших гармоник в импульсе тока изменяется более существенно, чем амплитуда первой гармоники. Высокая стабильность возможна в схемах, в которых используется отрицательная обратная связь. Создание источника с большим внутренним сопротивлением в умножителях затруднено, так как для фильтрации побочных гармонических составляющих в них обычно используются параллельные колебательные контуры высокой добротности. Такой контур для высших гармонических составляющих входного тока имеет практически нулевое сопротивление и поэтому может рассматриваться как источник гармонического сигнала с нулевым внутренним сопротивлением, что соответствует заданию моего курсового проекта.

Гармоническая форма напряжения может быть в принципе заметно искажена из-за шунтирующего действия нелинейного входа транзистора. Однако при малых мощностях, при которых обычно работает умножитель, входные сопротивления транзистора достаточно велики, чтобы этот эффект не проявлялся.

Структурная схема умножителя частоты представлена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – структурная схема умножителя частоты

Слабый входной сигнал усиливается с помощью каскадов предварительного усиления. Их число зависит от уровней как входного сигнала, так и сигнала, который требуется получить на выходе многокаскадного усилителя.

Усиленный предварительными каскадами сигнал подаётся на резонансный каскад, который, работая в режиме сильных сигналов, усиливает и фильтрует третью гармонику гармонического сигнала, подаваемого на вход. Тем самым происходит умножение входной синусойды с коэффициентом умножения N = 3. Выходной каскад предназначен для усиления преобразованного сигнала и передачи его с заданной мощностью на нагрузку. Для лучшей фильтрации побочных составляющих спектра выходного можно подключить резонансный LC-фильтр перед нагрузкой.

Определим максимальный ток протекающий через нагрузку:

(3.1)

Исходя из данных:

(3.2)

Тогда ориентировочное количество каскадов предварительного усиления по следующей формуле:

(3.3)

Для нашего проекта достаточно буде двух каскадов усиления – предварительного и резонансного. Ориентировочный коэффициент усиления для каждого каскада :

Для расчёта резонансного и предварительного усилительного каскада выберем транзистор ГТ309, который удовлетворяет предъявленным требованиям по частоте и выходной мощности. Параметры транзистора:

– предельная частота

Коэффициент усиления по току

Ом – сопротивление базы

- ток насыщения

Импульс тока каоллектора

Мощность рассеяния

4. Описание принципа работы структурной схемы

Т.к. по условию поставленной задачи генератор входного сигнала отсутствует, а на вход усилителя непосредственно подаётся синусойда заданной частоты и амплитуды, то входное устройство может отсутствовать в разрабатываемой структурной схеме.

Схемная реализация каскада предварительного усиления представлена на рисунке 4.1. Это схема усилителя на биполярном транзисторе включенном по схеме с общим эмиттером. Я выбрал эту схему так как у нее сравнительно большие коэффициенты усиления по напряжению и по току, а также большое входное сопротивление. Недостаток этой схемы – сдвиг фаз между входным и выходным сигналом равен 180° но в поставленной задаче не указывается обязательное сохранение фазы на выходе, так что этим недостатком можно пренебречь.

Основными элементами схемы являются источник питания, управляемый элемент - транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными.

Конденсатор исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи → → и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Рисунок 4.1 – принципиальная схема усилительного каскада с общим эммитером

Резисторы и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя. Резистор предназначен для создания цепи протекания тока. Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента β. Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока, его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 2. Предположим, что под влиянием температуры ток увеличился. Это отражается на увеличении тока, повышении напряжения и соответственно снижении напряжения. Ток базы уменьшается, вызывая уменьшение тока, чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока, а, следовательно, и напряжения.

Конденсатор шунтирует резистор по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепи каскада.

Резонансным называется усилитель, нагрузкой которого служит резонансный контур, настроенный на частоту усиливаемого сигнала. Для настройки в контуре используется переменное реактивное сопротивление. Резонансные усилители являются избирательными высокочастотными усилителями. В радиотехнике они предназначаются для выделения из действующих на входе сигналов с разными частотами лишь группы сигналов с близкими частотами, которые несут нужную информацию. К резонансным усилителям предъявляются требования возможно большего усиления, высокой избирательности и стабильности, малого уровня шумов, удобства управления и др.

В резонансных усилителях транзистор можно включить с ОЭ, ОБ и ОК. В нашем случае используется схема с ОЭ, обеспечивающая максимальное усиление по мощности с малым уровнем шумов. Колебательный контур в усилитель можно включить по автотрансформаторной, двойной автотрансформаторной, трансформаторной и емкостной схемам. Неполное включение контура в коллекторную цепь и к нагрузке позволяет избежать чрезмерного ухудшения добротности контура (особенно когда нагрузкой служит малое входное сопротивление транзистора).

Рисунок 4.2 – принципиальная схема резонансного усилительного каскада

5. Описание схемы электрической и электрический расчёт

Прежде всего рассчитаем резонансный каскад.

Исходные данные:

Коэффициент умножения

Чтобы обеспечить запас стабильности на погрешность расчёта, зададимся нестабильностью тока 3-й гармоники 𝛿I = 10% . Из графика рис. 5.1 при выбранном управляющем напряжении такая стабильность обеспечивается при

0,4 ≤ cosλ ≤ 0,6 (5.2)

Где λ – угол закрывания

Рисунок 5.1 – График зависимости отношения гармоник, нестабильности тока и коэффициента Берга от угла закрывания для утроителя частоты

Учтём предельно допустимые параметры транзистора:

Где - напряжённость коллектора

Величина напряжения источника питания

Из графика рис. 5.1:

> 0,4 (5.10)

Тогда окончательно зададим угол закрывания:

Рассчитаем сопротивление обратной связи:

Из рис. 5.3 для низкочастотного приближения (выберем ωτ=1, т.к. в рабочих режимах постоянная составляющая мало зависит от частоты и и при выбранном значении ωτ=1 ошибка не превышает 10%) при 0,55. Выберем .

Рисунок 5.3 – зависимость коэффициента от

МГц минимальное значение рабочей частоты.

Исходя из этого, рассчитаем разделительные ёмкости:

Рабочая частота:

Определим входное сопротивление каскада:

– относительная расстройка (6.3)

Заключение

В нашей курсовой работе мы рассчитали умножитель частоты с коэффициентом умножения, равным 3 и с входным сигналом

Полученная схема состоит из двух усилительных каскадов с коэффициентами умножения 25 и 42,6 и полосового фильтра на выходе с добротностью 20.

Проанализировав амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики, я могу сделать вывод, что полученный прибор соответствует заданным условиям проектирования и может быть использован в инженерно-технических целях.

8. Литература

1.Валитов Р.А. - радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах.

2. Лейк-Сан-Маркос - Умножитель частоты на фазовращателях.

3. И. Забелин - Журнал "Радио",8 номер, 1999г.

4. Л.Н. Бочаров - Расчет электронных устройств.

5. И.И. Четвертков - справочник резисторов.

6. М.Н. Дьяконов – справочник по электрическим конденсаторам.

7. В.Г. Басов - курсовое проектирование.

8. В.Г. Басов – конспект лекций.

умножитель частоты

радиоэлектронное устройство для увеличения в целое число раз частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний. Используется преимущественно для повышения частоты стабильных колебаний в радиопередающих, радиолокационных, измерительных и других устройствах.

Умножитель частоты

электронное (реже электромагнитное) устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний. Отношение fвых/fвх (fвх и fвых √ частоты колебаний соответственно на входе и выходе У. ч.) называется коэффициента умножения частоты m (m ³ 2; может достигать нескольких десятков). Характерная особенность У. ч. √ постоянство т при изменении (в некоторой конечной области) fвх, а также параметров У. ч. (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав У. ч.). Отсюда следует, что если fвх по каким-либо причинам получила приращение Dfвх (достаточно малое), то приращение Dfвых частоты fвых таково, что Dfвх/fвх = Dfвых/fвых, т. е. относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остаётся неизменной. Это важное свойство У. ч. позволяет использовать их для повышения частоты стабильных колебаний (обычно получаемых от кварцевого задающего генератора) в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и др. установках.

Наиболее распространены У. ч., состоящие из нелинейного устройства (например, транзистора, варактора, или варикапа, катушки с ферритовым сердечником; электронной лампы) и электрического фильтра (одного или нескольких). Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными fвх. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой mfвх, подавляя (не пропуская) остальные. Поскольку такое подавление в реальных фильтрах не является полным, на выходе У. ч. остаются нежелательные (т. н. побочные) составляющие, т. е. гармоники с номерами, отличными от m. Задача облегчается, если нелинейное устройство порождает практически только m-ю гармонику fвх, √ в этом случае иногда обходятся без фильтра (известны подобные У. ч. на туннельных диодах и специальных электроннолучевых приборах). При m > 5 бывает энергетически выгоднее использовать многокаскадные У. ч. (в них выходные колебания одного каскада служат входными для другого).

Находят применение также У. ч., действие которых основано на синхронизации автогенератора (см. Генерирование электрических колебаний). В последних возбуждаются колебания с частотой f0 = mfвх, которая становится в точности равной mfвх под действием поступающих на его вход колебаний с частотой fвх. Недостаток таких У. ч. √ сравнительно узкая полоса значений fвх, при которых возможна синхронизация. Кроме указанных, некоторое распространение получили радиоимпульсные У. ч., в которых на вход электрического фильтра подаются радиоимпульсы определённой формы, вырабатываемые под действием входных колебаний с частотой fвх.

Основная проблема при создании У. ч. √ уменьшение фазовой нестабильности выходных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), приводящей к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе. Строгий расчёт У. ч. связан с интегрированием нелинейных дифференциальных уравнений.

Лит.: Жаботинский М. Е., Свердлов Ю. Л., Основы теории и техники умножения частоты, М., 1964; Ризкин И. Х., Умножители и делители частоты, М., 1966; Бруевич А. Н., Умножители частоты, М., 1970; Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах, М., 1973.

И. Х. Ризкин.

Википедия

Умножитель частоты

Умножитель частоты - электрическое или электронное устройство, в котором при подаче на вход колебаний с периодом 2 ⋅ π /ω на выходе формируются колебания с периодом 2 ⋅ π /N  ⋅ ω .

Умножители применяются для:

1. Переноса кварцованных частот (СВЧ-диапазон;
2. Синтезирования сетки частот;
3. Измерения стабильности частоты.

В радиопередающих устройствах, применяя умножители, удаётся:

1. Понизить частоту задающего генератора, что повышает стабильность;
2. Расширить диапазон перестройки радиопередающего устройства при меньшем диапазоне перестройки задающего генератора;
3. Повысить устойчивость работы радиопередающего устройства за счёт ослабления обратной связи, так как в умножителе частоты входные и выходные цепи настроены на разные частоты;
4. Увеличить абсолютную девиацию частоты или фазы при частотной или фазовой модуляции.

УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬСОВ

В радиолюбительской практике нередки случаи, когда требуется умножитель входной частоты импульсной последовательности на постоянный коэффициент, в частности удвоитель чвстоты. Твк, 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 сладу 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-HE, а на рис. 2 - графики напряжения в его характерных точках. В начальный момент конденсатор С1 разряжен, а С2 - заряжен почти до 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 U на выходе элемента D01.2 появляется импульс высокого уровня, оканчивающийся в момент увеличения напряжения Ucl до порогового. Таким образом, продолжительность выходного импульса определяется разницей между временем зарядки t конденсатора С1 и временем разрядки С2 (время задержки tj* 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 ^ при срабатывании по фронту входного импульса равна примерно 0,7R1C1 "Р" Un<*= 0,5U^.

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 ^ 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 им-

ВВ1 К17БЛЕ5

I tiOP fTT"^ " Срабатывай

ие no фронту

I . -гп 3 I | Срабатывание по спаду

J ?бых

d то_ _ и//./ (5) о_ _ ШЛ К155ЛАЗ; VB2 Д9К

пульсов 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. Иза 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 2" раз больше входной (п - 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-HE времязадающие резисторы следует исключить. Конденсаторы будут заряжаться через входное сопротивление R^ 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, ЗЗИ^С. 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 состодаии 0. Сопротивление времязадающего резистора должно быть больше выходного сопротивления элемента, но не должно превышать 0,2Rro. В результате снижается интервал изменения длительности твы>1 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