Устройство для преобразования девиации частоты в девиацию фазы 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 частоты в девиацию фазы с любым заданным коэффициентом преобразования. Цель изобретения - увеличение чувствительности устройства для преобразования девиации частоты в девиацию фазы периодического сигнала. Заявленное устройство содержит три смесителя 1, 4, 7, три полосных усилителя 2, 5, 6, преобразователь начальной фазы 3, регистратор 8. Преобразователь начальной фазы содержит два смесителя 9, 10, полосный усилитель 11, многокаскадный полосный усилитель 12. 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 частоты в девиацию фазы с произвольным коэффициентом преобразования.

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

Недостатками известного устройства является низкая чувствительность и нелинейные искажения модулирующего сигнала.

Известно устройство преобразования девиации частоты в девиацию фазы, содержащее полосный усилитель [1]. В известном устройстве изменение частоты сигнала на входе усилителя приводит к дополнительному изменению начальной фазы сигнала на выходе усилителя.

Недостатком известного устройства является ограничение на отклонение частоты входного сигнала при больших коэффициентах преобразования, так как при этом необходимо увеличивать добротность усилителя, а это, в свою очередь, уменьшает его полосу пропускания.

Известно устройство, реализующее способ линеаризации характеристик частотных датчиков, которое содержит первый полосный усилитель, первый смеситель, второй полосный усилитель, второй смеситель, которые образуют автоколебательную систему, 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 частоты периодического сигнала в девиацию фазы, так как существует возможность изменять частоты генерируемых сигналов путем изменения частоты опорного сигнала. При этом, благодаря изменению условия баланса фаз, изменяются фазовые сдвиги в полосных усилителях.

Недостатком устройства является малая чувствительность фазовых сдвигов в усилителях к девиации частоты опорного генератора.

Цель изобретения - увеличение чувствительности устройства для преобразования девиации частоты в девиацию фазы 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 ко входу третьего полосного усилителя, регистратор, первый вход которого подключен к выходу третьего полосного усилителя, к выходу первого смесителя подключен преобразователь начальной фазы, выход которого подключен ко входу второго полосного усилителя, а ко вторым входам первого смесителя, второго смесителя и регистратора подключен вход устройства.

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 фазовые модуляторы высокой чувствительности, быстродействующие измерители сверхмалых отклонений частоты в радиотехнических измерениях, преобразователи сверхмалых девиаций частоты выходных сигналов частотных датчиков.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства.

Устройство содержит балансные смесители 1, 4, 7, полосные усилители 2, 5, 6, преобразователь начальной фазы 3 и регистратор 8.

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

Преобразователь начальной фазы содержит балансные смесители 9 и 10, полосный усилитель 11 и многокаскадный полосный усилитель 12.

На фиг.3 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала в девиацию фазы, 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 частоты входного периодического сигнала в девиацию фазы, 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 частоты периодического сигнала в девиацию фазы. 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 подключен к первому входу регистратора 8, ко вторым входам смесителя 1, смесителя 7 и регистратора 8 подключен вход устройства.

Устройство работает следующим образом.

Резонансные частоты f₁₀ и f₂₀ первого и второго полосных усилителей при известной средней частоте f_вх0 входного сигнала выбирают в соответствии с условием:

f₁₀ ± f₂₀ = f_вх0.(1)

Входной модулированный по частоте сигнал с подается на вторые входы смесителя 1, смесителя 7 и регистратора 8. 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 f_вх - f₁ или f₁ - f_вх в зависимости от знака в условии (1). На выходе полосного усилителя 2 генерируется сигнал, частота которого равна f_вх ± f₂ 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

Если значения частоты входного сигнала 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. Частоты генерируемых сигналов совпадают с резонансными частотами усилителей 2 и 6 (см. фиг.3 и фиг.4).

Отклонение частоты входного сигнала f_вх относительно значения f_вx0 нарушает баланс фаз. Начинается переходный процесс, заключающийся в изменении частот генерируемых сигналов на выходах 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 изменение частот генерируемых сигналов значительно превышает отклонение частоты входного сигнала. Затем оба генерируемых сигнала перемножаются в смесителе 4. С помощью полосного усилителя 5 выделяется сигнал, частота которого равна частоте входного сигнала. В регистраторе 8 сравниваются два сигнала одинаковой частоты с фазовым сдвигом относительно друг друга, равным ϕ_б (см. фиг.3 и фиг.4).

Воспользуемся линеаризованными фазочастотными характеристиками с противоположным друг другу наклоном в области полосы пропускания усилителей:

где Q - добротности полосных усилителей.

Решая совместно (2) и (3), найдем выражение для частоты f₁, а затем с помощью (3) - выражение для ϕ₆. В результате получим

Чувствительность преобразователя определяется выражением

Так как знаменатель (5) может быть каким угодно малым по сравнению с числителем, то и девиация фазы может быть какой угодно большой при неизменной девиации частоты входного сигнала. Видно, что изменение добротности одного из усилителей вызывает изменение девиации фазы выходного сигнала. Происходит преобразование девиации частоты в девиацию фазы. Коэффициент преобразования S регулируется и может быть достаточно большим. Следовательно, чувствительность преобразователя во много раз превышает чувствительность известных устройств.

Отрицательный знак во втором выражении (3) 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 12 подключен выход полосного усилителя 11, вход которого является входом преобразователя, смеситель 10, к первому входу которого подключен выход смесителя 9, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя 12, а выход является выходом преобразователя.

Преобразователь начальной фазы 3 работает следующим образом.

Полосный усилитель 11 и все каскады трехкаскадного полосного усилителя 12 имеют одинаковую добротность, равную добротности полосного усилителя 6, и настроены на его резонансную частоту. При смещении частот генерируемых сигналов относительно резонансных частот в усилителе 11 и в каждом каскаде трехкаскадного усилителя 12 сигнал приобретает дополнительный фазовый сдвиг Δϕ. В результате, если начальная фаза входного сигнала преобразователя 3 была ψ∗, то на выходе усилителя 12 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 полосного усилителя 6 и соответствует второму выражению (3).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет во много раз увеличить чувствительность преобразователя девиации частоты в девиацию фазы выходного сигнала относительно начальной фазы входного сигнала.

Список источников 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 линерализации характеристик дифференциальных частотных датчиков / В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 07.08.80 г. Бюл. №29.

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования девиации частоты в девиацию фазы 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 ко входу третьего полосного усилителя, регистратор, первый вход которого подключен к выходу третьего полосного усилителя, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности преобразователя, к выходу первого смесителя подключен преобразователь начальной фазы, выход которого подключен ко входу второго полосного усилителя, а ко вторым входам первого смесителя, второго смесителя и регистратора подключен вход устройства.

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