Устройство автоматической настройки колебательного контура усилителя мощности

 

Использование: радиотехника, задающие генераторы. Сущность изобретения: устройство автоматической настройки колебательного контура усилителя мощности содержит задающий генератор 1, усилитель 2 мощности с настраиваемым колебательным контуром, сумматор 3, первый, второй балансные смесители 4, 7, первый, второй, третий полосовые фильтры 5, 6, 8, первый, второй усилители низкой частоты 9, 11, амплитудный детектор 10, синхронный детектор 12, управляющий элемент 13, первый, второй делители 14, 15 частоты, коммутатор 16. Уменьшение искажений формы выходного сигнала и повышение точности настройки достигается за счет исключения влияния сигналов боковых частот на форму выходного сигнала и исключения влияния расстройки введенных полосовых фильтров на величину управляющего сигнала. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для автоматической настройки колебательного контура усилителя мощности на частоту сигнала задающего генератора.

Известно устройство автоматической настройки колебательного контура усилителя мощности по авт. св. СССР N 611289, кл. H 03 J 3/20, 1978, содержащее усилительный каскад с настроечным контурным элементом, соединенным с электродвигателем, вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, и датчик фазы, входы которого подключены к входу и выходу усилительного каскада, на который подаются высокочастотный и модулирующий сигналы, между выходом датчика фазы и входом усилителя постоянного тока введены последовательно соединенные электронный ключ и интегрирующая цепь, а управляющий вход электронного ключа подсоединен к выходу управляемого генератора импульсов, на управляющий вход которого через делитель напряжения подается модулирующий сигнал. Недостатками известного устройства является снижение точности настройки за счет наличия в управляющем сигнале электродвигателя коммутационных помех с частотой переключения электронного ключа, усиленных впоследствии дифференциальным усилителем, а также снижение точности настройки за счет отсутствия цепи коррекции, исключающей влияние внешних дестабилизирующих факторов на датчик фазы, дифференциальный усилитель и усилитель постоянного тока.

Известно также устройство автоматической настройки колебательного контура усилителя мощности по авт. св. СССР N 879745, кл. Н 03 J 5/00, 1981, содержащее соединенные последовательно переключатель, к управляющему входу которого подключен блок управления, и настраиваемый контур, между входом переключателя и управляющим входом настраиваемого контура включены последовательно преобразователь частота-код и преобразователь код-положение, к другому входу которого подключены соединенные последовательно нагрузка и датчик импеданса нагрузки, между выходом настраиваемого контура и входом датчика импеданса нагрузки включен дополнительный переключатель, другой выход которого соединен с выходом другого переключателя, а управляющий вход дополнительного переключателя соединен с выходом блока управления. Недостатком известного устройства является снижение точности настройки за счет неизбежного неравенства амплитуд на входе датчика импеданса в режимах предварительной и точной настройки (соответственно низкий и высокий уровень сигнала), которое впоследствии будет сказываться на значении выходного сигнала преобразователя код-положение, производящего настройку контура.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство автоматической настройки колебательного контура по авт. св. СССР N 1390785, кл. Н 03 J 3/00, 1985, содержащее последовательно соединенные усилитель высокой частоты, генератор колебаний боковых частот, вход управления которого соединен с источником низкочастотного сигнала, сумматор, другой вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, настраиваемый колебательный контур, к выходу которого подключены последовательно соединенные амплитудный детектор, усилитель низкой частоты, дополнительный амплитудный детектор, дополнительный усилитель низкой частоты, синхронный детектор, вход управления которого соединен с источником низкочастотного сигнала, и управляющий элемент, выход которого подключен к входу управления настраиваемого колебательного контура.

При несовпадении частоты сигнала с резонансной частотой контура амплитуды низкочастотных огибающих (биений) становятся разными в соседние такты коммутации, что вызывает в процессе детектирования появление управляющего сигнала. В результате автоматической настройки контура амплитуды огибающих уравниваются и сигнал на выходе дополнительного детектора обращается в нуль.

Недостатком известного устройства является сохранение низкочастотной огибающей в выходном сигнале даже при точной настройке контура на частоту сигнала. Кроме того, из-за неизбежного неравенства амплитуд генератора боковых частот вследствие неравномерности и неидентичности частотных характеристик смесителей, фазовращателей, сумматора, образующих этот генератор, возникает ошибка в настройке контура. Коммутационные помехи, возникающие в процессе переключения сигналов боковых частот, также снижают точность настройки.

Целью изобретения является уменьшение искажений формы выходного сигнала усилителя мощности и повышение точности настройки колебательного контура усилителя.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее задающий генератор, последовательно соединенные сумматор и усилитель мощности с настраиваемым колебательным контуром, последовательно соединенные первый усилитель низкой частоты, амплитудный детектор, второй усилитель низкой частоты, синхронный детектор и управляющий элемент, выход которого подключен к входу управления настраиваемого колебательного контура усилителя мощности с настраиваемым колебательным контуром, первый и второй балансные смесители, коммутатор, последовательно соединенные первый и второй делители частоты, при этом выход второго делителя частоты подключен к другому входу синхронного детектора, введены первый и второй полосовые фильтры, которые настроены соответственно на первую и вторую боковые частоты, а входы которых подключены к выходу первого балансного смесителя, третий полосовой фильтр, который включен между выходом второго балансного смесителя и входом первого усилителя низкой частоты, при этом выходы первого и второго полосовых фильтров соединены с соответствующими входами сумматора и коммутатора, выход которого подключен к одному из выходов второго балансного смесителя, управляющий вход коммутатора подключен к выходу второго делителя частоты, выход задающего генератора соединен с соответствующим входом сумматора, одним из входов первого балансного смесителя и с входом первого делителя частоты, другой вход первого балансного смесителя подключен к выходу первого делителя частоты, а другой вход второго балансного смесителя подключен к выходу усилителя мощности с настраиваемым колебательным контуром.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа шестью новыми признаками, позволяющими достичь цель изобретения. Эти отличия позволяют сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Признаки, отличающие предложенное устройство от прототипа, не выявлены в других сходных технических решениях при изучении патентной и научно-технической литературы в области радиотехники, и, следовательно, обеспечивают соответствие критерию "существенные отличия".

На чертеже изображено устройство автоматической настройки колебательного контура усилителя мощности.

Оно содержит задающий генератор 1, усилитель 2 мощности с настраиваемым колебательным контуром, сумматор 3, первый балансный смеситель 4, первый и второй полосовые фильтры 5 и 6, второй балансный смеситель 7, третий полосовой фильтр 8, первый усилитель 9 низкой частоты, амплитудный детектор 10, второй усилитель 11 низкой частоты, синхронный детектор 12, управляющий элемент 13, первый делитель 14 частоты, второй делитель 15 частоты и коммутатор 16.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал частоты ω_o задающего генератора 1 возбуждает настраиваемый колебательный контур усилителя 2 мощности с резонансной частотой ω. Одновременно сигнал задающей частоты смешивают в балансном смесителе 4 с выходным сигналом делителя 14 частоты Ω₁. Коэффициент деления частоты выбирают таким, чтобы первая низкая частота Ω₁ значительно превышала половину полосы пропускания Δ ω колебательного контура усилителя 2 ( Ω₁>> Δ ω /2).

В результате балансного смешивания формируется двухчастотный сигнал суммарной ω + Ω₁ и разностной ω - Ω₁ частот. Составляющая частоты ω₁ = ω_o + Ω₁ выделяется полосовым фильтром 5, настроенным на суммарную частоту, а составляющая частоты ω₂ = ω_o - Ω₁ - полосовым фильтром 6, настроенным на разностную частоту. Колебания трех частот ω₀, ω₁ и ω₂соединяются в один сигнал сумматором 3, который поступает на усилитель 2. Колебания частоты ω₀ возбуждают колебательный контур усилителя 2 на частоте, близкой к резонансной, и усиливаются по мощности тем больше, чем ближе частота ω₀ к резонансной частоте ω.

Сигналы боковых частот (ω ± Ω₁) при Ω > > Δ ω /2 находятся вне полосы пропускания усилителя 2 и ослабляются усилителем в зависимости от расстройки колебательного контура усилителя 2 на боковых суммарной и разностной частотах.

При несовпадении резонансной частоты контура ω с задающей частотой ω₀ ослабления сигналов боковых частот настраиваемым контуром становятся разными и спектр выходного сигнала усилителя 2 делается несимметричным. Усиленный сигнал смешивается в балансном смесителе 7 с сигналами суммарной и разностной частот, поступающими Bа второй вход смесителя поочередно через коммутатор 16. Периодическая работа коммутатора 16 обеспечивается напряжением второй низкой частоты Ω₂ < Ω₁, которое формируется на выходе делителя 15 частоты. Полосовым фильтром 8, настроенным на удвоенное значение первой низкой частоты Ω₃ = 2 Ω₁, выделяется сигнал, пропорциональный произведению амплитуд тех гармонических составляющих, разность частот которых попадает в полосу пропускания фильтра 8. При поступлении на второй вход смесителя 7 сигнала суммарной частоты ω₀ + Ω₁ разностную частоту Ω₃ образует составляющая разностной частоты ω₀ - Ω₁, прошедшая через настраиваемый усилитель 2. При этом амплитуда сигнала разностной частоты определяется неослабленным сигналом, выделенным фильтром 5 с коэффициентом передачи К₁, и ослабленным сигналом, выделенным фильтром 6 с коэффициентом передачи К₂ и прошедшим через настраиваемый контур усилителя 2 с коэффициентом передачи К₃', т. е. произведением К₁К₂К₃'. В случае поступления на второй вход смесителя 7 сигнала разностной частоты ω₀ - Ω₁ разностную частоту Ω₃ образует составляющая суммарной частоты ω₀ + Ω₁, прошедшая через настраиваемый усилитель. В этом случае сигнал разностной частоты определяется неослабленным сигналом, выделенным фильтром 6 с коэффициентом передачи К₂, и ослабленным сигналом, выделенным фильтром 5 с коэффициентом передачи К₁ и прошедшим через настраиваемый усилитель 2 с коэффициентом передачи К₃'', т.е. произведением К₁К₂К₃''. Если коэффициенты передачи настраиваемого усилителя 2 различны на боковых частотах (К₃'≠K₃'') то напряжение разностной частоты Ω₃, выделяемое фильтром 8 с коэффициентом передачи К₄, оказывается модулированным по амплитуде с частотой коммутации Ω₂ < < Ω₃ = 2 Ω₁. Напряжение разностной частоты Ω₃ усиливается усилителем 9 низкой частоты и детектируется амплитудным детектором 10. В результате амплитудного детектирования на выходе детектора и усилителя 11 низкой частоты выделяется напряжение огибающей частоты коммутации Ω₂. Переменное напряжение выпрямляется синхронным детектором 12, который управляется непосредственно выходным напряжением делителя 15 частоты. Выпрямленное напряжение воздействует на управляющий элемент 13 (интегрирующий блок, двигатель), который изменяет регулируемый параметр колебательного контура усилителя 2. Это приводит к уменьшению расстройки контура с частотой ω относительно задающей частоты ω₀.

При совпадении частоты ω₀ с резонансной ω ( ω = ω₀ ) ослабления сигналов боковых частот ω₀ ± Ω₁ становятся одинаковыми. (К₃'=K₃''). Модуляция напряжения разностной частоты Ω₃ на выходе полосового фильтра 8 исчезает, и напряжение на выходе синхронного детектора 12 обращается в нуль. При этом неизбежная расстройка фильтров 5 и 6 относительно суммарной ω₀ + Ω₁ и разностной ω₀ - Ω₁ частот, приводящая к неравенству амплитуд сигналов боковых частот (К₁≠К₂) не влияет на точность настройки контура усилителя 2. Аналогично не влияет и расстройка фильтра 8, поскольку модуляция исчезает при равенстве коэффициентов передач настраиваемого контура на боковых частотах (К₃'=K₃'') независимо от значений коэффициентов передач дополнительных фильтров К₁, К₂ и К₄.

Для исключения влияния сигналов боковых частот ω₀ ± Ω₁ на форму выходного усиленного сигнала первую низкую частоту Ω₁ выбирают такой, чтобы расстройка настраиваемого контура на боковых частотах вызывала ослабление этих сигналов порядка 40-60 дБ. Усиление на низкой разностной частоте Ω ₃ позволяет выделять слабые сигналы, проходящие вне полосы пропускания настраиваемого контура, и масштабировать их до уровня, достаточного для амплитудного детектирования.

По сравнению с прототипом улучшение спектра усиленного по мощности сигнала достигнуто за счет пропускания вспомогательных сигналов боковых частот за пределами полосы пропускания настраиваемого усилителя. В прототипе это достичь невозможно, так как при отношении вспомогательных сигналов к основному на выходе настраиваемого усилителя порядка (40-60) дБ биения практически не образуются, а обнаружить тем более в них амплитудную модуляцию малой глубины весьма трудно.

Повышение точности системы автоподстройки частоты достигнуто путем исключения влияния расстройки дополнительно введенных полосовых фильтров на величину управляющего сигнала. При точной настройке колебательного контура усилителя на частоту задающего генератора изменения коэффициентов передач дополнительных фильтров не вызывают появление ложного управляющего сигнала. В прототипе при увеличении низкой частоты Ω для выхода боковых частот генератора за пределы полосы пропускания настраиваемого фильтра начинает сказываться неравномерность и неидентичность частотных характеристик балансных смесителей, фазовращателей, сумматора, входящих в генератор, что приводит к неравенству амплитуд сигналов боковых частот и, следовательно, к ошибке в настройке контура. Непрерывное прохождение сигналов боковых частот через настраиваемый контур без периодического их переключения исключает переходные процессы в контуре с узкой полосой пропускания, что также способствует повышению точности настройки усилителя.

Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения заключается в возможности получения максимального коэффициента усиления мощности сигнала заданной частоты за счет точного поддержания равенства резонансной частоты контура усилителя мощности и частоты задающего генератора при воздействии на контур усилителя дестабилизирующих факторов.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ, содержащее задающий генератор, последовательно соединенные сумматор и усилитель мощности с настраиваемым колебательным контуром, последовательно соединнные первый усилитель низкой частоты, амплитудный детектор, второй усилитель низкой частоты, синхронный детектор и управляющий элемент, выход которого подключен к входу управления настраиваемого колебательного контура усилителя мощности с настраиваемым колебательным контуром, первый и второй балансные смесители, коммутатор, последовательно соединенные первый и второй делители частоты, при этом выход второго делителя частоты подключен к другому входу синхронного детектора, отличающееся тем, что, с целью уменьшения искажений формы выходного сигнала и повышения точности настройки, введены первый и второй полосовые фильтры, которые настроены соответственно на первую и вторую боковые частоты, а входы которых подключены к выходу первого балансного смесителя, третий полосовой фильтр, который включен между выходом второго балансного смесителя и входом первого усилителя низкой частоты, при этом выходы первого и второго полосовых фильтров соединены с соответствующими входами сумматора и коммутатора, выход которого подключен к одному из входов второго балансного смесителя, управляющий вход коммутатора подключен к выходу второго делителя частоты, выход задающего генератора соединен с соответствующим входом сумматора, одним из входов первого балансного смесителя и входом первого делителя частоты, другой вход первого балансного смесителя подсоединен к выходу первого делителя частоты, а другой вход второго балансного смесителя подключен к выходу усилителя мощности с настраиваемым колебательным контуром.

РИСУНКИ

Рисунок 1