Устройство для преобразования девиации фазы в девиацию частоты периодического сигнала

 

Изобретение относится к радиотехнике и другим областям электронной техники, в которых используются сигналы с угловой модуляцией, и может быть использовано для преобразования девиации фазы в девиацию частоты с любым заданным коэффициентом преобразования. Цель изобретения - увеличение чувствительности устройства для преобразования девиации фазы в девиацию частоты периодического сигнала. Заявленное устройство содержит три смесителя 1, 4, 7, три полосных усилителя 2, 5, 6, преобразователь начальной фазы 3, который в свою очередь содержит два смесителя 9, 10, полосный усилитель 8, многокаскадный полосный усилитель 11. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и другим областям электронной техники, в которых используются сигналы с угловой модуляцией, и может быть использовано для преобразования сверхмалых девиации фазы в девиацию частоты с произвольным коэффициентом преобразования.

В качестве аналога изобретения может быть рассмотрено известное устройство преобразования девиации фазы в девиацию частоты [1], которое содержит дифференцирующее звено. Известное устройство широко используется в частотных модуляторах, синтезируемых косвенными методами.

Недостатками известного устройства является низкая чувствительность, нелинейные искажения модулирующего сигнала и работа только в динамическом режиме.

Известно устройство, реализующее способ линеаризации характеристик частотных датчиков, содержащее первый полосный усилитель, первый смеситель, второй полосный усилитель, второй смеситель, которые образуют автоколебательную систему, а ко вторым входам смесителей подключен выход опорного генератора, третий смеситель, входы которого подключены к выходам первого и второго полосных усилителей, а выход к третьему полосному усилителю. При выполнении условий баланса амплитуд и баланса фаз, в данной автоколебательной системе на выходах первого и второго полосных усилителей генерируются сигналы с комбинационными частотами [2].

Известное устройство может быть использовано для преобразования девиации фазы сигнала опорного генератора в девиацию частоты генерируемых сигналов путем внесения дополнительного фазового сдвига в автоколебательную систему. При этом, благодаря изменению условия баланса фаз, изменяются частоты генерируемых на выходах полосных усилителей сигналов.

Недостатком устройства является малая чувствительность частот генерируемых сигналов к девиации фазы сигнала опорного генератора.

Цель изобретения - увеличение чувствительности устройства для преобразования девиации фазы в девиацию частоты периодического сигнала.

С этой целью в известное устройство, содержащее первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, а выход подключен к входу первого полосного усилителя, третий смеситель, к входам которого подключены выходы первого и второго полосных усилителей, а выход подключен к входу третьего полосного усилителя, выход которого является выходом устройства, с целью увеличения чувствительности преобразования, к выходу первого смесителя подключен преобразователь начальной фазы, выход которого подключен к входу второго полосного усилителя, второй вход первого смесителя подключен к входу устройства, а второй вход второго смесителя подключен к входу опорного сигнала.

С целью получения инверсной фазочастотной характеристики каскадного соединения преобразователь начальной фазы и второй полосный усилитель по сравнению с фазочастотной характеристикой второго полосного усилителя, преобразователь начальной фазы содержит четвертый смеситель, оба входа которого и вход многокаскадного полосного усилителя подключены к выходу четвертого полосного усилителя, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, пятый смеситель, к первому входу которого подключен выход четвертого смесителя, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя, а выход является выходом преобразователя начальной фазы.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются частотные модуляторы высокой чувствительности, быстродействующие измерители сверх малых отклонений фазы в радиотехнических измерениях, преобразователи сверх малых девиаций фазы выходных сигналов фазогенераторных датчиков.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства.

Устройство содержит балансные смесители 1, 4, 7, полосные усилители 2, 5, 6 и преобразователь начальной фазы 3.

На фиг.2 изображен вариант структурной схемы преобразователя начальной фазы 3.

Преобразователь начальной фазы содержит балансные смесители 9 и 10, полосный усилитель 8 и многокаскадный полосный усилитель 11.

На фиг.3 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации фазы входного периодического сигнала в девиацию частоты выходного сигнала, когда частота входного сигнала равна сумме частот генерируемых сигналов.

Приведены зависимости ϕ(f₂) и ϕ(f₁) эквивалентных фазочастотных характеристик.

На фиг.4 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации фазы входного периодического сигнала в девиацию частоты выходного сигнала, когда частота входного сигнала равна разности частот генерируемых сигналов.

Приведены зависимости ϕ(f₂) и ϕ(f₁) эквивалентных фазочастотных характеристик.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для преобразования девиации фазы периодического сигнала в девиацию частоты. Устройство содержит смеситель 1, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 2, а к выходу подключен вход преобразователя начальной фазы 3, к выходу которого подключен полосный усилитель 6, смеситель 7, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 6, а к выходу подключен вход полосного усилителя 2, смеситель 4, ко входам которого подключены выходы полосных усилителей 2 и 6, а выход подключен к полосному усилителю 5, выход которого является выходом устройства, ко второму входу смесителя 1 подключен вход устройства, а ко второму входу смесителя 7 подключен вход опорного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Резонансные частоты f₁₀ и f₂₀ первого и второго полосных усилителей при известной частоте f₀ входного и опорного сигналов выбирают в соответствии с условием:

Входной модулированный по фазе сигнал с частотой f₀ подается на второй вход смесителя 1, а на второй вход смесителя 7 подается опорный сигнал той же частоты с фиксированной начальной фазой ψ, которая является средней фазой модулированного сигнала. На выходах полосных усилителей 2 и 6 генерируются сигналы с частотами f₁, и f₂, если выполнены условия баланса амплитуд и баланса фаз. Выходные сигналы балансных смесителей 1 и 7 содержат компоненты с суммарной и разностной частотой смешиваемых сигналов. На выходе полосного усилителя 6 генерируется сигнал, частота которого равна разности f₀-f₁ или f₁-f₀ в зависимости от знака в условии (1). На выходе полосного усилителя 2 генерируется сигнал, частота которого равна f₀f₂ в соответствии со знаком в условии (1). Благодаря преобразователю начальной фазы 3 фазочастотные характеристики полосного усилителя 2 и каскадного соединения преобразователь начальной фазы 3 и полосный усилитель 6 имеют наклоны разного знака (см. фиг.3 и фиг.4).

Установившийся режим в рассматриваемом устройстве относительно частот генерируемых сигналов при выполнении условия баланса амплитуд определяется системой уравнений:

где ϕ₀ - значение девиации фазы входного сигнала относительно начальной фазы опорного сигнала.

Если значения частоты входного и опорного сигналов, и резонансных частот полосных усилителей отвечают условию (1), то баланс фаз по замкнутому контуру: смеситель 1, преобразователь 3, усилитель 6, смеситель 7, усилитель 2 - выполняется при нулевых фазовых сдвигах. Если при этом ϕ₀=0, то частоты генерируемых сигналов совпадают с резонансными частотами усилителей 2 и 6 (см. фиг.3 и фиг.4).

Отклонение начальной фазы входного сигнала относительно значения ψ опорного сигнала нарушает баланс фаз. Начинается переходный процесс, заключающийся в изменении частот генерируемых сигналов полосных усилителей до тех пор, пока не наступит баланс фаз при новых значениях частот. Новый установившийся режим показан на фиг.3 и фиг.4. Ему соответствуют частоты f₁ и f₂. При определенных условиях фазовые сдвиги в полосных усилителях ϕ₁ и ϕ₂ много больше девиации фазы ϕ₀ входного сигнала. Этому соответствуют значительные смещения частот генерируемых сигналов относительно резонансных частот. Затем оба генерируемых сигнала перемножаются в смесителе 4. С помощью полосного усилителя 5 выделяется сигнал, частота которого равна

Воспользуемся следующими выражениями для эквивалентных фазо-частотных характеристик ϕ(f₁) и ϕ(f₂):

где Q₁ и Q₂ - добротности резонансных усилителей.

Линеаризуем фазочастотные характеристики в области полосы пропускания усилителей:

Решая совместно (2) и (5) относительно частот генерируемых сигналов, получим:

Частота выходного сигнала (3):

Чувствительность преобразователя определяется выражением:

Видно, что знаменатель (9) может быть каким угодно малым, поэтому чувствительность и соответственно коэффициент преобразования девиации фазы в девиацию частоты могут быть теоретически какими угодно большими.

Выполненный анализ показывает, что изменение наклона одной из фазочастотных характеристик вызывает изменение чувствительности устройства.

Отрицательный знак во втором выражении (4) получен благодаря преобразователю начальной фазы 3. Пример структурной схемы преобразователя начальной фазы приведен на фиг.2.

Преобразователь 3 содержит смеситель 9, к обоим входам которого и ко входу многокаскадного полосного усилителя 11 подключен выход полосного усилителя 8, вход которого является входом преобразователя, смеситель 10, к первому входу которого подключен выход смесителя 9, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя 11, а выход является выходом преобразователя.

Преобразователь начальной фазы 3 работает следующим образом.

Полосный усилитель 8 и все каскады трехкаскадного полосного усилителя 11 имеют одинаковую добротность, равную добротности полосного усилителя 6, и настроены на его резонансную частоту. При смещении частот генерируемых сигналов относительно резонансных частот, в усилителе 8 и в каждом каскаде трехкаскадного усилителя 11 сигнал приобретает дополнительный фазовый сдвиг Δϕ. В результате, если начальная фаза входного сигнала преобразователя 3 была ψ*, то на выходе усилителя 11 его начальная фаза будет (ψ*+4Δϕ). Начальная фаза сигнала с двойной частотой на выходе смесителя 9 будет (2ψ*+2Δϕ). У сигнала на выходе смесителя 10 с разностной частотой, равной частоте входного сигнала преобразователя 3, начальная фаза будет равна (2ψ*+2Δϕ-ψ*-4Δϕ). В полосном усилителе 6 сигнал получает дополнительный фазовый сдвиг Δϕ. В результате, начальная фаза генерируемого сигнала на его выходе будет равна (ψ*-Δϕ). Все указанное справедливо при любом отклонении частоты генерируемого сигнала от соответствующей резонансной частоты. Эквивалентная фазочастотная характеристика каскадного соединения преобразователя начальной фазы 3 и полосного усилителя 6 будет инверсной по отношению к фазочастотной характеристике усилителя 6, и соответствует второму выражению (4).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет во много раз увеличить девиацию частоты выходного сигнала относительно девиации фазы входного сигнала по сравнению с известными устройствами.

Источники информации

1. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов /В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев и др. – М.: Радио и связь, 1990. – 432 с.

2. А.с. 754442 (СССР), G 06 G 7/26, Способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков / В.К.Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 07.08.80, БИ №29.

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования девиации фазы в девиацию частоты периодического сигнала, содержащее первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, а выход подключен к входу первого полосного усилителя, третий смеситель, к входам которого подключены выходы первого и второго полосных усилителей, а выход подключен к входу третьего полосного усилителя, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности преобразования, к выходу первого смесителя подключен преобразователь начальной фазы, выход которого подключен к входу второго полосного усилителя, второй вход первого смесителя подключен к входу устройства, а второй вход второго смесителя подключен к входу опорного сигнала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью получения инверсной фазочастотной характеристики каскадного соединения преобразователь начальной фазы и второй полосный усилитель по отношению к фазочастотной характеристике второго полосного усилителя, преобразователь начальной фазы содержит четвертый смеситель, оба входа которого и вход многокаскадного полосного усилителя подключены к выходу четвертого полосного усилителя, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, пятый смеситель, к первому входу которого подключен выход четвертого смесителя, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя, а выход является выходом преобразователя начальной фазы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4