Способ и устройство бесфильтрового преобразования частоты

Авторы патента:

H02M5/16 - для преобразования частоты

Владельцы патента RU 2414042:

Закрытое акционерное общество "Конструкторское бюро навигационных систем" (ЗАО "КБ НАВИС") (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в приемных устройствах и совмещенных приемниках спутниковой навигации с использованием прямого преобразования. Технический результат - повышение помехоустойчивости и упрощение частотного разделения сигналов ГЛОНАСС. Для этого с помощью 4-х одинаковых балансных смесителей (двойных балансных) параллельно формируют 4 произведения квадратур входного и гетеродинного сигналов: (cos_вx·cos_гeт); (sin_вх·sin_гeт); (sin_вх·cos_гет); (cos_вx·sin_гeт). Предварительно расщепляют на квадратурные составляющие и входной сигнал и сигнал гетеродина - косинусную (опережающую) и синусную (запаздывающую), каждую составляющую входного сигнала перемножают с каждой составляющей гетеродина и в соответствии с формулами тригонометрии для косинуса и синуса суммы и разности двух углов, формируют косинусную и синусную квадратурные составляющие сигнала промежуточной частоты. Сущность устройства заключается в том, что в него введены фазорасщепители входного сигнала и сигнала гетеродина на квадратурные проекции, косинусную и синусную, в качестве смесителя используют четыре перемножителя - балансных смесителя, которые нагружают на первый (R_H1) и второй (R_H2) нагрузочные резисторы и связи между ними. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области радиотехники.

Все аналоговые тракты обработки радиосигналов, как правило, требуют преобразования частоты.

Классическая блок-схема преобразователя частоты приведена на фиг.1 и описана в (1).

Фиг.1 - классическая блок-схема преобразователя частоты

Перечень обозначений на фиг.1:

СМ - смеситель;

ГЕТ - гетеродин;

ФПЧ - фильтр промежуточной частоты.

Смеситель СМ должен выполнять операцию перемножения входного сигнала частоты f_c с сигналом гетеродина частоты f_г. Известно, что произведение двух гармонических сигналов равно полусумме сигналов с разностной (f_c- f_г) - преобразование вниз и суммарной частотами (f_c+f_г) - преобразование вверх.

Известно также, что чем ближе операция, выполняемая смесителем к произведению двух гармонических сигналов, тем меньше побочных продуктов преобразования на выходе смесителя. В настоящее время широко используется так называемый балансный смеситель, схема которого приведена на фиг.2 (2).

Фиг.2 - типовая схема балансового смесителя.

Приращения токов на Вых.1 и Вых.2 балансного смесителя пропорциональны произведению сигналов, подаваемых на Вх.1 и Вх.2, но имеют противоположные знаки. Будем называть Вых.1 - прямым, а Вых.2 - инверсным. Еще более строго операцию перемножения входных сигналов выполняет двойной балансный смеситель, в котором схемно компенсировано проникновение перемножаемых сигналов на выходы.

Необходимость применения ФПЧ является основным недостатком схемы преобразователя частот (фиг.1). Обычно ФПЧ выполняют многозвенными (LC контуры, объемные резонаторы, отрезки длинных линий, фильтры на ПАВ и т.д.) Это ограничивает возможности микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время известны транзисторные схемы фильтров (так называемые гираторы), что позволяет встраивать их в кристалл микросхемы. Однако стабильность их параметров (как фильтров) невысока, особенно сильно зависит частота от температуры кристалла. Устройства подстройки параметров гиратора достаточно сложны и в общем случае могут потребовать применения дополнительных навесных элементов.

Основной задачей предлагаемого способа и устройства бесфильтрового преобразования частоты является устранение указанных недостатков прототипа.

Данная задача решается тем, что в способ бесфильтрового преобразования частоты, включающий операцию перемножения входного сигнала с сигналом гетеродина и выделение нужного продукта преобразования в сигнал промежуточной частоты с разностью частот входного сигнала и гетеродина, или с их суммой, дополнительно вводят несколько операций, а именно, предварительно расщепляют на квадратурные проекции и входной сигнал и сигнал гетеродина - косинусную (опережающую) и синусную (запаздывающую), каждую составляющую входного сигнала перемножают с каждой составляющей гетеродина и в соответствии с формулами тригонометрии для косинуса и синуса суммы и разности двух углов, формируют косинусную и синусную квадратурные проекции сигнала промежуточной частоты.

Данная задача решается также тем, что в устройство, реализующее способ и включающее смеситель и гетеродин, дополнительно введены фазорасщепители входного действительного сигнала и сигнала гетеродина на квадратурные составляющие, косинусную и синусную, в качестве смесителя используют четыре одинаковых перемножителя - балансных смесителя, нагружаемые на первый и второй нагрузочные резисторы (первый R_H1 и второй R_H2), причем первый выход (косинусный) фазорасщепителя входного сигнала соединяют с первыми входами первого и второго перемножителей - балансных смесителей, второй выход (синусный) этого фазорасщепителя соединяют с первыми входами третьего и четвертого перемножителей - балансных смесителей, первый выход фазорасщепителя гетеродина (косинусный) соединяют со вторыми входами первого и третьего перемножителей - балансных смесителей, второй выход этого фазорасщепителя - со вторыми входами второго и четвертого перемножителей - балансных смесителей; для преобразования частоты вниз первый нагрузочный резистор (R_Н1) соединяют с первыми выходами первого и четвертого перемножителей - балансных смесителей, второй нагрузочный резистор (R_Н2) с первым выходом третьего перемножителя-балансного смесителя и вторым выходом второго перемножителя-балансного смесителя, для преобразования частоты вверх первый нагрузочный резистор (R_Н1) соединяют с первым выходом первого перемножителя-балансного смесителя, второй нагрузочный резистор (R_Н2) с первым выходом третьего и первым выходом второго перемножителей - балансных смесителей.

Это достигается путем некоторого усложнения транзисторной части преобразователя с использованием квадратурных составляющих как входного сигнала (и выходного), так и гетеродина. Усложнение, связанное с использованием квадратур как входных сигналов, так и выходного сигнала преобразователя, не является недостатком, поскольку однократное расщепление входных сигналов на квадратурные проекции расширяет функциональные возможности дальнейшей обработки радиосигналов. При невысоких частотах входного сигнала (до сотен МГц) расщепление входного действительного сигнала на квадратуры реализуется с помощью известного RC моста, где разность фаз на его выходах поддерживается (≈90°) в достаточно широкой полосе частот входного модулированного сигнала (до 20%). При более высоких частотах (Гигагерцы) для тех же целей используют также широко известный волноводный микрополосковый кольцевой фазорасщепляющий мост, выполненный на фольгированном диэлектрике. Дополнительно такой мост выполняет функцию фильтра преселектора входного сигнала.

Для расщепления на квадратуры немодулированного сигнала гетеродина, можно использовать известные RLC фазосдвигающие, цепочка (на ±90°) или сформировать квадратуры при цифровом синтезе частоты гетеродина.

В любом случае фазорасщепители действительного сигнала на квадратурные составляющие имеют один вход и два выхода. Для определенности будем называть их выходы: опережающий (косинусный) Вых.1, запаздывающий (синусный) Вых.2.

Суть предлагаемого способа заключается в том, что с помощью четырех одинаковых балансных смесителей (двойных балансных) параллельно формируют 4 произведения квадратур входного и гетеродинного сигналов:

(cos_вх·cos_гет); (sin_вх·sin_гет); (sin_вх·sin_гет); (cos_вх·sin_гет).

Здесь условно обозначены опережающие квадратурные составляющие входного сигнала и гетеродина через cos_вх и cos_гет, запаздывающие - через sin_вх и sin_гет соответственно.

Далее в строгом соответствии с формулами тригонометрии формируют алгебраические суммы этих произведений:

Здесь, также для сокращения записи обозначено:

cos_Δ - опережающая (косинусная) составляющая сигнала промежуточной частоты, равной f_c-f_г;

cos - опережающая (косинусная) составляющая сигнала промежуточной частоты, равной f_c+f_г;

sin_Δ - запаздывающая (синусная) составляющая сигнала промежуточной частоты, равной f_c-f_г;

sin - запаздывающая (синусная) составляющая сигнала промежуточной частоты, равной f_c+f_г.

Устройство, реализующее данный способ, состоит из гетеродина, двух фазорасщепителей (входного и гетеродинного сигналов), четырех перемножителей-балансных (двойных балансных) смесителей и двух нагрузочных резисторов. Блок-схема его приведена на фиг.3.

Фиг.3 - блок - схема устройства.

Способ и устройство бесфильтрового преобразования частоты содержит следующие блоки:

1-4 - перемножители - балансные (двойные балансные) смесители;

5 - фазорасщепитель входного сигнала;

6 - фазорасщепитель сигнала гетеродина;

7 - гетеродин;

8, 9 (R_H1, R_H2) - нагрузочные резисторы.

Устройство работает следующим образом. Показанное на фиг.3 соединение квадратур входного сигнала (выходом 1 и 2 блока 5) и гетеродина (выходы 1 и 2 блока 6) обеспечивают в одинаковых перемножителях - балансных смесителях формирование следующих произведений, как показано в таблице.


Блок 1	Вых.1
	Вых.2
Блок 2	Вых.1
	Вых.2
Блок 3	Вых.1
	Вых.2
Блок 4	Вых.1
	Вых.2

Для выбранного варианта преобразования частоты (вверх или вниз) необходимые алгебраические суммы произведений в соответствии с формулами (1) и таблицей формируются на общих нагрузочных резисторах 1 и 2 (R_Н1 и R_Н2). На R_Н1 образуется опережающая квадратурная проекция (косинусная) сигнала промежуточной частоты, а на R_Н2 - запаздывающая (синусная).

Нагрузочные резисторы, показанные на фиг.3, обеспечивают формирование сигнала промежуточной частоты на R_Н1, равного cos2_тг(f_c-f_г)t, на R_H2, равного sin2_тг(f_c-f_г)t. Нагрузочные резисторы R_Н1, подключенные к Вых. 1 перемножителя - балансного смесителя 1 и Вых.2 перемножителя - балансного смесителя 4, a R_H2 к Вых. 1 перемножителя - балансного смесителя 3 и Вых. 1 перемножителя - балансного смесителя 2, формируют сигнал суммарной промежуточной частоты(f_c+f_г). Свободные входы перемножителей - балансных смесителей подключены к шине питания U_n.

Данные способ и устройство бесфильтрового преобразования частоты можно реализовать в приемных устройствах и совмещенных приемниках спутниковой навигации с использованием прямого преобразования, а также упростит частотное разделение сигналов ГЛОНАСС.

Источники информации

1. Проектирование радиоприемных устройств. /Под редакцией А.П.Сиверса. Москва, «Советское радио», 1976 г.

2. Радиоприемные устройства. 3-е изд., авторы: Фомин Н.Н., Буга Н.Н. Издательство Горячая линия - Телеком, 2007 г.

1. Способ бесфильтрового преобразования частоты, включающий операции перемножения входного сигнала и сигнала гетеродина и выделение нужного продукта преобразования в сигнал промежуточной частоты с разностью частот входного сигнала и гетеродина или с их суммой, отличающийся тем, что и входной сигнал, и сигнал гетеродина предварительно расщепляют на квадратурные составляющие, косинусную и синусную, каждую составляющую входного сигнала перемножают с каждой составляющей гетеродина, суммируют произведение косинусных квадратурных составляющих входного сигнала и гетеродина с произведением их синусных составляющих и получают косинусную квадратурную составляющую промежуточной частоты, равной разности частот входного сигнала и гетеродина, суммируют произведение косинусных составляющих входного сигнала с инвертированным произведением их синусных составляющих и получают косинусную квадратурную составляющую сигнала промежуточной частоты, равной сумме частот входного сигнала и гетеродина, суммируют произведение косинусной составляющей входного сигнала с синусной составляющей гетеродина и произведение синусной составляющей входного сигнала с косинусной составляющей гетеродина и получают синусную квадратурную составляющую сигнала промежуточной частоты, равной сумме частот входного сигнала и гетеродина, суммируют произведение косинусной составляющей входного сигнала с синусной составляющей гетеродина и инвертированное произведение синусной составляющей входного сигнала с косинусной составляющей гетеродина и получают синусную квадратурную составляющую сигнала промежуточной частоты, равной разности частот входного сигнала и гетеродина.

2. Устройство, реализующие способ по п.1, включающее смеситель и гетеродин, отличающееся тем, что в него дополнительно введены фазорасщепители входного сигнала и сигнала гетеродина на квадратурные проекции, косинусную и синусную, в качестве смесителя используют четыре перемножителя-балансных смесителя, которые нагружают на первый (R_н1) и второй (R_н2) нагрузочные резисторы, причем первый выход (косинусный) фазорасщепителя входного сигнала соединяют с первыми входами первого и второго перемножителей-балансных смесителей, второй выход (синусный) этого фазорасщепителя входного сигнала соединяют с первыми входами третьего и четвертого перемножителей-балансных смесителей, первый выход фазорасщепителя сигнала гетеродина (косинусный) соединяют со вторыми входами первого и третьего перемножителей-балансных смесителей, второй выход этого фазорасщепителя сигнала гетеродина - со вторыми входами второго и четвертого перемножителей-балансных смесителей; для преобразования частоты вниз первый нагрузочный резистор (R_н1) соединяют с первыми выходами первого и четвертого перемножителей-балансных смесителей, второй нагрузочный резистор (R_н2) с первым выходом третьего перемножителя-балансного смесителя и вторым выходом второго перемножителя-балансного смесителя, для преобразования частоты вверх первый нагрузочный резистор (К_н1) соединяют с первым выходом первого перемножителя-балансного смесителя, второй нагрузочный резистор (R_н2) первым выходом третьего и первым второго перемножителей-балансных смесителей.

Изобретение относится к электротехнике. .

Устройство для регулирования частоты вращения вентилятора электровоза переменного тока // 2285329

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на электроподвижном составе переменного тока для регулирования частоты вращения вентиляторов с приводными трехфазными асинхронными электродвигателями.

Устройство для регулирования производительности вентилятора электровоза переменного тока // 2285328

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на электроподвижном составе переменного тока для регулирования производительности вентиляторов с приводными трехфазными асинхронными электродвигателями.

Удвоитель частоты // 2279177

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям частоты, в частности к умножителям трансформаторного типа, например удвоителям, и может быть использовано для питания высокоскоростных электроприводов деревообрабатывающей промышленности, безредукторных центрифуг, для индукционного нагрева больших металлических заготовок и т.д.

Способ преобразования частоты // 2269860

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования частоты многофазного переменного тока. .

Способ преобразования напряжения // 2172055

Изобретение относится к электротехнике и служит для преобразования формы, амплитуды и частоты переменного напряжения с промежуточным преобразованием в постоянное напряжение либо преобразования постоянного напряжения в переменное произвольной формы с регулируемыми амплитудой и частотой.

Делитель напряжения // 2161362

Изобретение относится к электротехнике, в частности к полупроводниковой технике. .

Магнитотиристорный умножитель частоты (варианты) // 2110135

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве статического источника электрической энергии. .

Преобразователь частоты сигнала путевого приемника автоблокировки // 2083409

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики для обеспечения безопасности функционирования преобразователей.

Преобразователь частоты // 2077110

Частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения // 2462804

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может использоваться, например, в регуляторах температуры

Преобразователь частоты // 2470438

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для использования в электроприводах переменного тока, управляемых оптоэлектронными изоляторами, и источниках вторичного электропитания

Низкочастотный преобразователь частоты, ведомый сетью // 2470448

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводе для управления скоростью асинхронных электродвигателей

Трехфазный реверсивный знакопеременный преобразователь частоты, ведомый сетью // 2470449

Изобретение относится к устройствам преобразования частоты, ведомых сетью, и может быть использовано в установках, в которых требуется регулирование частоты

Понижающий преобразователь частоты // 2558390

Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано в системах электропривода с плавной регулировкой скорости вращения, в том числе гребного, а также в установках депарафинизации нефтяных скважин. Преобразователь частоты содержит полупроводниковый коммутатор, подключенный к вторичной круговой обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем. Система импульсно-фазового управления обеспечивает нарастающую задержку сигналов управления ключами, коммутирующими отводы круговой обмотки, так что каждая следующая коммутация пары отводов круговой обмотки имеет период, больший на определенное значение, определяемое коэффициентом преобразования частоты, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения. Техническим результатом является увеличение надежности за счет отсутствия конденсатора в силовой цепи и отсутствие промежуточного звена постоянного тока, повышение качества выходного напряжения с возможностью его улучшения за счет введения дополнительных отводов круговой обмотки и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. 5 ил., 3 табл.

Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала // 2580843

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам генерирования электроэнергии с регулированием по частоте и напряжению при постоянной частоте вращения вала. Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала содержит три синхронных генератора переменного тока, объединенных общим приводом, основные трехфазные обмотки статоров которых включены в три ветви таким образом, что в каждую ветвь включены последовательно по три разноименных фазных обмоток, при этом начала ветвей образуют силовой трехфазный выход с напряжением регулируемой частоты, а концы ветвей соединены в “звезду”. Технический результат состоит в снижении массогабаритных характеристик устройства и повышении надежности. 6 ил.

Способ умножения частоты и устройство для его осуществления // 2592864

Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано для питания систем автоматики и электродвигателей с повышенной частотой вращения, а также систем индукционного нагрева. Из уровня техники известны различные конструкции ферромагнитных умножителей частоты, принцип действия которых основан на выделении нужной гармоники основной частоты питающей сети с помощью различного рода комбинаций соединения вторичных обмоток и в некоторых случаях резонансных контуров. Суть предлагаемого способа умножения частоты заключается в использовании дополнительной степени свободы структуры трансформатора с вращающимся магнитным полем и за счет резко нелинейного распределения создаваемого первичной трехфазной обмоткой магнитного потока. Таким образом, выходное напряжение формируется из отдельных полуволн, снимаемых с катушек вторичной обмотки и коммутируемых в заданной последовательности, что в результате обеспечивает умножение частоты выходного напряжения. Предлагаемое устройство реализует указанный способ умножения и позволяет получить коэффициент умножения в шесть раз, то есть при частоте питающей сети 50 Гц на выходе умножителя формируется синусоидальное напряжение частотой 300 Гц. Конструкция умножителя является технологичной и подходит для автоматизированной намотки. Техническим результатом является эффективное умножение частоты выходного напряжения, упрощение конструкции трансформатора, увеличение коэффициента полезного действия и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Преобразователь частоты на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем // 2616971

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям электрической энергии, и может быть использовано для получения высококачественного трехфазного напряжения измененной частоты для питания спецпотребителей в автономных электроустановках. Преобразователь частоты выполнен на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, имеющего полную геометрическую, электрическую и магнитную симметрии с первичной трехфазной обмоткой, соединенной по схеме «звезда» и включенной на питающую сеть, и круговую обмотку, число секций которой кратно трем и каждый из отводов которой подключен к выходным сборным шинам трехфазного переменного напряжения через группу вентилей из трех полностью управляемых и имеющих двустороннюю проводимость в открытом состоянии силовых ключей. Силовой коммутатор включает вентили таким образом, что на выходные сборные шины вторичного трехфазного напряжения производится подключение отводов круговой обмотки, электрический потенциал в которых имеет взаимный фазовый сдвиг, равный 2π/3, при этом включение и отключение двух соседних отводов производится с перекрытием по времени, в результате чего происходит выравнивание их потенциалов, что приводит к улучшению формы выходного напряжения и уменьшению коэффициента гармоник, а изменением длительности включенного состояния силовых ключей, составляющих группы вентилей, производится изменение частоты выходного напряжения. 1 табл., 7 ил.

Статический многоуровневый преобразователь частоты для питания синхронных и асинхронных электродвигателей // 2634480

Изобретение относится к области электротехники, а именно к многоуровневым преобразователям частоты, и может быть использовано для пуска и регулирования скорости вращения асинхронных и синхронных электродвигателей. Технический результат заявляемого устройства - обеспечение выявления выходного напряжения статического многоуровнего преобразователя частоты (СМПЧ) при однофазном замыкании (ОЗЗ) как при номинальных значениях, так и при малых значениях выходного напряжения и, соответственно, предотвращение последствий аварийной ситуации на начальной стадии запуска электродвигателя при невысоком уровне выходного напряжения СМПЧ. Технический результат достигается тем, что в статическом многоуровневом преобразователе частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей, блок управления выполнен с входом «Блокировка», введен блок защиты при однофазном замыкании на землю с аналоговым входом управления и дискретным выходом «Авария», содержащий резистивный делитель напряжения, являющийся аналоговым входом блока защиты, интегратор, двухполярный пороговый элемент с прямым и инверсным входами, RS-триггер, исполнительный орган, являющийся дискретным выходом блока защиты, элемент временной задержки и логический элемент 2И, выход делителя напряжения соединен с входом интегратора, выход которого присоединен к входу порогового элемента, прямой выход порогового элемента соединен с S-входом RS-триггера, а его выход с входом исполнительного органа и элемента временной задержки, логический элемент 2И по цепям входов соединен с инверсным выходом порогового элемента и элемента временной задержки, а по цепи выхода - с R-входом RS-триггера, при этом резистивный делитель напряжения присоединен одним выводом к общей точке силовых модулей, соединенных в звезду, а вторым - к цепи контура заземления, выход исполнительного органа присоединен к входу «Блокировка» блока управления. 2 ил.

Способ преобразования частоты // 2639048

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях частоты систем электродвижения судов переменного тока, а также в тяговом электроприводе. Техническим результатом является улучшение технических и эксплуатационных характеристик непосредственных преобразователей частоты, в том числе на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем. В способе преобразования частоты используют соотношения, равное натуральному числу е (приближенно равно 2,72), так что суммирование двух взаимно обратных функций напряжения дает результирующую гладкую функцию, без разрывов и с улучшенным гармоническим составом. В результате отсутствуют разрывов кривой выходного напряжения, что позволяет реализовать режим естественной коммутации и увеличение надежности за счет улучшения условий коммутации, что повышает качество выходного напряжения с возможностью значительного его улучшения за счет незначительного увеличения числа отводов круговой обмотки. 5 ил.