книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот

Умножители прямого преобразования, во входном сигнале которых может содержаться информация либо о мгновенных значениях частоты, либо только о длительностях периодов, умножают частоту в обоих случаях одинаково. Однако при информации только о длительности периода требуется дополнительное* формирование сигнала требуемой формы. Исключение составляет очень редкий случай, когда при полной информации о мгновенных значениях частоты входной сигнал имеет постоянную амплитуду. Тогда умножение легко осуществить путем квантования входного сигнала по уровням. При этом сигнал должен иметь пилообразную с малой длительностью обратного хода, симметричную треуголь­ ную или синусоидальную формы.

Рис. 2-2. Временная диаграмма работы умножителя прямо­ го преобразования с пилообразным напряжением.

При пилообразной форме входного сигнала счетные импульсы формируются в моменты достижения пилообразным напряжением некоторых наперед заданных уровней. Постоянный наклон пилообразного напряжения и постоянные уровни срабатывания делают умножитель непригодным для работы в широком диапазоне частот, поскольку при отклонении входной частоты от номинального значения вследствие изменения амплитуды пилообразного напряжения расстановка импуль­ сов во времени становится неравномерной, а на частотах более высоких, чем номинальная, возможно пропадание части выходных импульсов. Это положение иллюстрирует рис. 2-2, на котором пилообразное напряжение и импульсы умно­

диапазоне частот достигнута в умножителе [29], производящем в конце каждого периода запоминание амплитудного значения пилообразного напряжения, из которого затем с помощью делителя напряжения получают уровни квантования. Коэффициент умножения такого умножителя ограничен сравнительно небольшой величиной, так как большое количество уровней квантования делает разницу между двумя соседними уровнями настолько малой, что временные и темпера­ турные дрейфы уровней могут привести к сбоям в работе умножителя.

При симметричной треугольной форме сигнала умножаемой частоты умно­ жение осуществляют путем многократного двухполупериодного выпрямления [25, 26, 79, 89]. Между двухполупериодными выпрямителями включены элементы для отделения постоянной составляющей. Треугольное симметричное напряже­ ние — это единственное напряжение, которое после двухполупериодного выпрям­ ления сохраняет свою форму, -позволяя соединять каскады удвоения без про­ межуточных формирователей. Если форма входного сигнала отличается от сим­ метричной треугольной, то необходимо предварительно сформировать сигнал умножаемой частоты. Из входного сигнала формируют симметричное прямоуголь­ ное напряжение, д затем подают его на интегратор и на выходе последнего получают симметричное треугольное напряжение.

Коэффициент умножения такого умножителя ограничен нелинейностью исходного треугольного напряжения и нелинейными искажениями, которые вно­ сят сами каскады удвоения, не превышающими ©еличииы 32—64. Рабочий диа­ пазон частот имеет порядок двух октав. Умножитель обладает плохими дина-

мнческими свойствами. Длительность переходного процесса при увеличении входной частоты в четыре раза равна 75 периодам [79].

При синусоидальной форме входного сигнала наиболее часто применяют умножение с возведением синусоиды в квадрат и умножение с пространствен­ ным кодированием.

\ В умножителях с возведением синусоиды в квадрат [90] два синусоидальных напряжения, сдвинутые друг относительно друга на 180°, подаются на входы квадратора, напряжение на выходе которого пропорционально квадрату синуса, и вследствие этого его частота будет равна удвоенной частоте напряжения на входе квадратора. В квадраторе могут быть применены полевые транзисторы. Недостаток таких умножителей — критичность к амплитуде входного сигнала нз-за ограниченности квадратичного участка характеристики нелинейного элемента.

для умножения частоты могут быть применены и элементы с нечетной вольт-ам- перной характеристикой [3]. Пропуская через такой элемент сигнал синусоидаль­ ной формы и дифференцируя его перед подачей на элемент с четной характе­ ристикой, можно увеличить коэффициент умножения с 2 до 4.

Умножители с преобразованием синусоиды допускают последовательное

•соединение каскадов.

Умножители с пространственным кодированием выполняются обычно с при­ менением либо специальных многообмоточных трансформаторов, либо электрон­ но-лучевых коммутаторов [25, 79].

В умножителях, выполненных на основе многообмоточных трансформаторов, используется эффект перемагничивания насыщенных стержней магнитопровода лри прохождении через них нейтрали магнитного поля. Во вторичных обмотках, количественно равных коэффициенту умножения, расположенных по кругу и со­ единенных в открытый многоугольник, индуктируются импульсы э. д. с. Период вращающегося магнитного поля определяется периодом входного сигнала.

В умножителях, выполненных на основе электронно-лучевой трубки, исполь­ зуют эффект вращения луча. Входной сигнал расщепляется по фазе и создает круговую развертку луча. Коэффициент умножения умножителя определяется или количеством радиальных прорезей на одном из анодов трубки, или коли­ чеством таких прорезей на маске, расположенной снаружи трубки.

Наряду с аналоговыми методами умножения низких и особенно инфранизких частот могут найти применение дискретные методы. В дискретных умножителях частоты производится квантование периода умножаемой частоты и затем на основании информации о его длительности — формирование последовательности импульсов умноженной частоты. Для осуществления непрерывного умножения такие умножители содержат либо два поочередно работающих канала, либо один такой канал и устройство памяти для запоминания на один период дли­

тельности предыдущего периода.

Умножители уравновешивающего преобразования представляют собой систе­ мы автоматического регулирования частоты управляемого генератора. Упрощен­ ная структурная схема такого умножителя частоты показана на рис. 2-3. Он состоит из элемента сравнения (ЭС), управляемого генератора (УГ) и счетчика обратной связи (СОС). На входы ЭС поступают импульсы входной частоты и импульсы переполнения СОС. Сигналом рассогласования ' УГ подстраивается таким образом, чтобы частота импульсов переполнения СОС была равна умно­ жаемой частоте. Коэффициент умножения умножителя равен коэффициенту пересчета СОС. В умножителях частоты с уравновешиванием в качестве ЭС обычно применяют фазовый компаратор (ФК). Такие умножители, у которых

элементом сравнения является фазовый компаратор, представляют собой систе­ мы фазовой автоподстройки частоты (ФАЛ), подразделяющиеся на системы непрерывного и импульсного действия. В качестве измерительных умножителей применяют преимущественно импульсные системы, которые, в свою очередь, подразделяются на умножители с фазовым компаратором с пилообразной или синусоидальной характеристикой п с реверсивным счетчиком в качестве фазового компаратора. Среди умножителей с синусоидальной или пилообразной характе­ ристикой фазового компаратора получили распространение умножители, осно­ ванные на амплитудно-импульсных и широтно-импульсных системах фазовой автоподстройки частоты (АИС ФАЛ и ШИС ФАЛ), причем более распростра­ нены умножители первой группы.

Рис. 2-4. Структурная схема узкополосного умножителя частоты.

Узкополосный и широкополосный умножители частоты на основе АИС ФАЛ" описаны в работах в [27, 79].

Узкополосный умножитель (рис. 2-4) представляет собой систему автомати­ ческого регулирования частоты управляемого генератора УГ. Сравнение входной

рователем Ф в пилообразную форму, модулирует по амплитуде импульсы обратной связи. Амплитудаэтих импульсов запоминается и используется для управления частотой генератора УГ Такой УЧ имеет коэффициент умножения более 100, рабочий диапазон частот / мапс/Ашн —1,8. Длительность переходного процесса в умножителе при включении входной частоты практически не превы­

шает десяти ее периодов.

Широкополосный умножитель (рис. 2—5) отличается от узкополосного тем, что генератор УГ выполнен с линейной зависимостью периода, а не частоты выходного сигнала от управляющего напряжения, и фазовый компаратор ФК представляет собой импульсный преобразователь длительности перехода входного сигнала в напряжение. Регулирующее воздействие по фазовой ошибке вводится изменением наклона пилообразного напряжения в момент прихода импульса обратной связи. У такого УЧ при значении коэффициента умножения 32 рабочий диапазон частот значительно расширен и равен 100. Длительность переходного

риодным выпрямлением, функциональным преобразованием и др. Коэффициент их умножения, составляющий на низких частотах величину 32—64, на инфранизких частотах значительно уменьша­ ется. Одна из причин уменьшения состоит в искажении на инфра­ низких частотах при передаче от каскада к каскаду сигнала умноженной частоты, который является напряжением непрерывной формы (синусоидальным или треугольным). Поэтому в этом слу­ чае целесообразно отказаться от непрерывного представления сигнала умноженной частоту в пользу представления его корот-

Рис. 2-7. Структурная схема каскада умноже­ ния инфранизкой часто­ ты.

кими импульсами, делящими период умножаемой частоты на равные части и запускающими следующий каскад умножения [43]. Поскольку каскад запускается короткими импульсами, а для деле­ ния периода их следования на некоторое количество равных час­ тей необходимо непрерывное представление сигнала, то в состав каждого каскада должен входить широкодиапазонный формиро­ ватель напряжения. В качестве такого формирователя необходимо применять генератор пилообразного напряжения с одним крутым фронтом (малым временем восстановления). Это объясняется тем, что период следования импульсов на входе каскада заранее неиз­ вестен, поэтому формирование напряжения любой другой формы невозможно. Крутой фронт пилообразного напряжения должен совпадать во времени с импульсом уамножаемой частоты. Получе­ ние коротких импульсов, делящих период умножаемой частоты на равные части, достигают подключением к выходу генератора пилообразного напряжения нескольких формирователей, форми­ рующих прямоугольные импульсы различных коэффициентов за­ полнения, с дифференцирующими схемами на их выходах. Один из фронтов каждого из формируемых прямоугольных импульсов сов­ падает с крутым фронтом пилообразного напряжения, а второй де­ лит период умножаемой частоты в некотором требуемом отношении.

Каскад умножения инфранизкой частоты в соответствии с изло­ женным выше может быть выполнен по структурной схеме, пред­ ставленной на рис. 2-7. В его состав входят: генератор пилообраз­ ного напряжения (ГПН), один или несколько формирователей прямоугольных импульсов (Ф/7#1—ФПИь-1) с дифференцирую­

щими схемами (ДС) на выходах и собирательная схема ИЛИ.

Для работы в диапазоне частот каждого каскада умножения необходимо, чтобы формируемые прямоугольные импульсы имели постоянные независящие от частоты коэффициенты заполнения. Умножая частоту, например на два, необходимо применить один формирователь с коэффициентом заполнения 1/2, при умножении на три — два формирователя с коэффициентами заполнения 1/3 и 2/3 и т. д. В общем при умножении частоты каскадом в п раз

Постоянство коэффициентов заполнения формируемых прямо­ угольных импульсов в широком диапазоне частот достигается сле­ дующими путями:

1)применением генератора пилообразного напряжения со ста­ билизацией его амплитуды во всем диапазоне частот при работе генератора с пороговыми переключателями, имеющими постоянные уровни срабатывания;

2)применением специальных формирователей прямоугольных импульсов, уровень срабатывания которых изменяется в значи­ тельных пределах в зависимости от амплитуды и формы входного сигнала так, чтобы коэффициент заполнения импульсов оставался

неизменным.

Рассмотрим более подробно достоинства н недостатки этих путей.

В первом случае изменение формы или амплитуды пилообраз­ ного напряжения вызывает появление погрешности от неравномер­ ности расстановки импульсов умножаемой частоты. Схема гене­ ратора пилообразного напряжения значительно усложняется, так как в ее состав включают нормализатор амплитуды (например, генератор, содержащий 12 транзисторов, с частотным диапазоном 10 гц—1 кгц и точностью поддержания амплитуды ±5% , описан­

ный в работе [123]). Схемы же пороговых переключателей с по­ стоянными уровнями срабатывания достаточно просты и могут быть выполнены с применением двух транзисторов (триггер Шмит­ та). Исходя из этого, выполнение каскада умножения с нормали­ зацией амплитуды пилообразного напряжения может оказаться целесообразным только при его сравнительно большом коэффи­ циенте умножения, то есть при работе генератора пилообразного напряжения с несколькими (пятью и более) простыми пороговыми переключателями, тогда введение в его состав нормализатора амплитуды не приведет к значительному усложнению.

Во втором случае схема генератора пилообразного напряжения может быть выполнена простой (с применением двух транзисто­ ров). Однако при этом схемы формирователей прямоугольных импульсов по сравнению со схемами пороговых переключателей, примененных в первом случае, усложняются. Так, схема форми­ рователя прямоугольных импульсов с постоянным коэффициентом заполнения, описанная в [126], содержит не менее трех-четырех транзисторов. Соединение простого генератора пилообразного на­ пряжения и большого количества более сложных формирователей

прямоугольных импульсов с постоянными коэффициентами запол­ нения нецелесообразно, так как усложняет схему каскада. Поэтому построение каскада умножения с такими формирователями имеет смысл при небольших коэффициентах умножения (не более пяти). Схема многокаскадного умножителя будет наиболее простой при последовательном соединении каскадов с коэффициентом умноже­ ния на два, каждый из которых содержит один генератор пилооб­ разного напряжения и один формирователь прямоугольных им­ пульсов с постоянным коэффициентом заполнения.

Сравнивая пути построения многокаскадных умножителей час­ тоты, приходим к выводу, что при одном и том же коэффициенте умножения схема умножителя, содержащего в каждом каскаде простой генератор пилообразного напряжения и один или несколь­ ко формирователей прямоугольных импульсов с постоянными коэффициентами заполнения, проще схемы умножителя, содержа­ щего в каждом каскаде генератор пилообразного напряжения с нормализацией амплитуды и ряд пороговых переключателей. Так, например, при коэффициенте умножения, равном восьми, в первом случае потребуется 18 транзисторов, во втором — 26.

Поэтому ниже рассмотрим каскад удвоения частоты, включаю­ щий в свой состав простой генератор пилообразного напряжения, формирователь прямоугольных импульсов с постоянным коэффи­ циентом заполнения, равным 1/2, а также некоторые другие эле­ менты. Произведен анализ длительности переходного процесса при включении входной частоты.

Устройство и принцип действия каскада удвоения низких и инфранизких частот, составляющего основу широкодиапазонного аналогового умножителя частоты [32, 37], объясняется развернутой функциональной схемой, представленной на рис. 2-8. Удвоитель частоты содержит: простой генератор пилообразного напряжения с одним крутым фронтом ГПН, формирователь прямоугольных импульсов ФПИ с коэффициентом заполнения 1/2, дифференци­

рующую схему ДС и двувходовую схему ИЛИ. На рис. 2-9 пока­ заны временные диаграммы изменения напряжений в различных точках каскада. Рассмотрим более подробно принцип действия каскада удвоения частоты.

На вход каскада поступают короткие отрицательные импульсы умножаемой частоты (рис. 2-9,а), которые запускают генератор пилообразного напряжения с крутым фронтом. Как отмечалось раньше, к линейности формируемого напряжения не предъявляют жесткие требования. Пилообразное напряжение с крутым фронтом

•отношению к потенциалу точки а, закрывается. При этом диод Д открыт и идет разряд конденсатора Ci разностью токов /j и /г, причем ток Ii превышает по величине ток /2. Транзистор Т закрыт, и конденсатор Ci разряжается до тех пор, пока возрастающее отрицательное напряжение, подаваемое с выхода генератора пило­ образного напряжения в базу транзистора Т, не сравняется по величине с линейно убывающим потенциалом точки а, изменение

Один из фронтов импульса, снимаемого с коллектора транзис­ тора Ti (рис. 2-9,г), совпадает во времени с входным импульсом и крутым фронтом пилообразного напряжения, а другой, находится точно посредине периода удваиваемой частоты.

Однако фронт, делящий период удваиваемой частоты на дверавные части, недостаточно крутой, так как отключение источника тока / i с цепи диода Д 1 и подключение к транзистору происхо­

дит не мгновенно. Переключение начинается в тот момент, когда

щей току Д по вольт-амперной характеристике диода, и заканчи­ вается, когда ток диода Mi уменьшается до нуля, а ток транзистора Ti увеличивается до максимального значения, равного току Д. Для улучшения крутизны фронтов прямоугольных импульсов в состав формирователя прямоугольных импульсов включен еще один уси­

подается напряжение положительной обратной связи. Фронты прямоугольных импульсов, снимаемых с коллектора транзистора Т2} дифференцируются схемой ДС и подаются на один из входов, схемы ИЛИ. На ее выход проходят короткие отрицательные им­ пульсы, расположенные посредине периода удваиваемой частоты. На другой вход схемы ИЛИ поступают короткие отрицательные импульсы удваиваемой частоты. На выходе каскада получаем ко­ роткие отрицательные импульсы удваиваемой частоты и располо­ женные между ними короткие отрицательные импульсы от диффе­ ренцирования фронтов прямоугольных импульсов (рис. 2-9, е).

При построении каскада с коэффициентом умножения, равным я, а не 2, между генератором ГПН и схемой ИЛИ необходимо включить (я—1) формирователей ФПИ с дифференцирующими схемами на выходах. Для обеспечения деления периода на я рав­ ных частей токи /2 в этих формирователях должны быть равны

Переходный процесс в многокаскадном умножителе частоты и возможности сокращения его длительности могут быть исследова­ ны методом точечных преобразований [75]. При этом предполагаем, что пилообразное напряжение является линейным. Длительность переходного процесса при другой его форме будет несколько иной. Однако, если форма этого напряжения незначительно отклоняется от линейной, то количественные отклонения длительности переход­ ного процесса будут небольшими. Применив точечное преобразо­

вание к точке U (рис. 2-10), координата которой х равна на­ пряжению на конденсаторе С{ в начале периода Т умножаемой

частоты, преобразуем ее в точку U, координата которой х равна напряжению на этом конденсаторе в конце периода Т. Уравнения напряжений на выходе генератора пилообразного напряжения и на конденсаторе Сд имеют такой вид: