Умножение частоты в генераторах
Умножение частоты это процесс получения колебаний с частотой кратной частоте исходного колебания.
Умножение частоты применяется в случае, если по каким либо причинам невозможно получить колебание с требуемой частотой (на частотах нескольких сотен мегагерц и выше) или при необходимости получить частоту колебаний с точностью кратную определенной частоте.
Умножение частоты может осуществляться тремя методами:
- метод угла отсечки;
- метод получения частот с помощью периодической последовательности импульсов (ППИ);
- метод получения кратных частот с помощью радиоимпульса.
Метод угла отсечки
Данный метод используется для получения гармонического колебания с кратной частотой из другого гармонического колебания. Для получения колебания с требуемой частотой необходимо трансформировать спектр входного сигнала (внести в спектр новые гармонические составляющие). Для трансформации спектра используется нелинейный элемент, работающий в режиме отсечки. Для этого положение рабочей точки задается, с помощью напряжения смещения U0, за пределами вольт-амперной характеристики элемента (рисунок 26). В этом случае элемент открывается лишь в момент, когда напряжение входного сигнала Uвх достигает определенного начального значения Uн. Когда Uвх 3 необходимо использовать многокаскадные схемы умножителя (последовательное включение нескольких умножителей). Например для получения Ку=6 необходимо последовательно включить два умножителя с Ку=2 и Ку=3.
Методы умножения частоты с помощью ППИ и радиоимпульса
Метод получения кратных частот с помощью ППИ основан на том, что в спектре периодической последовательности уже имеются гармонические составляющие на кратных частотах сигнала, т. е. кратных первой гармонике (рисунок 29). Поэтому из спектра необходимо только выделить гармонику с требуемой частотой. Для получения колебания с большей амплитудой, необходимо выделять гармонические составляющие первого лепестка спектра, причем амплитуда составляющих уменьшается меньше, если количество составляющих в лепестке больше. Таким образом, для умножения частоты используются периодические последовательности со скважностью более 14.
Данный метод позволяет увеличить частоту колебания в десятки раз.
Метод получения кратных частот с помощью радиоимпульса заключается в перемножении исходного колебания с другим высокочастотным гармоническим колебанием, т. е. осуществляется модуляция гармонической несущей импульсным колебанием. В этом случае спектр импульсного колебания переносится в область частот гармонического колебания, в результате чего формируется радиоимпульс. Затем из спектра полученного радиоимпульса выделяют гармонику с требуемой частотой. Данный метод позволяет получить колебание с частотой в сотни раз превышающее частоту исходного колебания.
Рисунок 29 — Умножение частоты с помощью ППИ: а) исходная ППИ c частотой fs и скважностью 17; б) спектр ППИ; в) полученное колебание с частотой 10fs
Источник
Умножитель частоты
Для любителей цифровой техники может представить интерес устройство умножения частоты, на выходе которого число импульсов в некоторое целое число раз больше, чем подано на вход. Схема такого устройства приведена на рисунке.
Входные импульсы U„ подают на формирователь, выполненный на микросхеме DD1. Независимо от продолжительности входных импульсов, на неинвертирующем выходе (вывод 6 микросхемы DD1) формируются короткие импульсы высокого уровня, длительность которых определяется параметрами элементов С1, R1 и встроенного сопротивления микросхемы (около 2 кОм). Период их следования соответствует периоду входных импульсов.
Сформированные короткие импульсы поступают на два входа (выводы 2 и 3) счетчика, выполненного на микросхеме DD2, и обнуляют его. На четырех выходах счетчика (FO — F3) устанавливается уровень лог.0, а на выходе элемента DD3.3 — уровень лог. 1 независимо от положения переключателя SA1. Уровень лог.1 на одном из входов элемента DD3.4 (продолжительность действия этого уровня совпадает с длительностью периода входных импульсов) разрешает прохождение серии импульсов по второму входу от генератора на элементах DD3.1 и DD3.2. С выхода элемента DD3.4 импульсы подаются на счетный вход микросхемы D02 (вывод 14). Выходные импульсы прекратятся, когда на вход элемента DD3.3 будет подан уровень лог.1. Это зависит от положения переключателя SA1. В положении 1 («х2») уровень лог.1 появляется после прохождения двух импульсов по счетному входу, т. е. устройство умножает входные импульсы в два раза, в положении 2 («х4») — в четыре раза и в положении 3 («х8») — в восемь раз.
Для правильной работы устройства необходимо выполнение требования, чтобы частота собственного генератора хотя бы в 10 раз была выше частоты входных импульсов. При номинальных
значениях конденсаторов и резисторов, показанных на схеме, частота генератора составляет 100 кГц, а поэтому частота входных импульсов не должна превышать 10 кГц. Из-за задержки фронтов входных импульсов при работе микросхемы DD1 происходит некоторое запаздывание выходных импульсов по сравнению с входными. Задержка может быть уменьшена снижением сопротивления резистора R1, но его сопротивление нельзя уменьшать до значения менее 1 кОм.
Умножител на честота. «Хоби-електроника 1»,
сборник -София, «ЕКОПРОГРЕС», 1992
Примечание редакции.
В устройстве можно использовать отечественные радиоэпеметы К155АГ1 (DD1), К155ИЕ2 (DD2), К155ЛАЗ (DD3), КД521А (VD1 и VD2).
Источник
Умножение частоты с помощью ФАПЧ: переходная характеристика и синтез частот
Влияет ли добавление делителя частоты в обратную связь на переходной процесс системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL, phase-locked loop)? В данной статье мы рассмотрим этот вопрос, а также другие темы умножения частоты.
Вспомогательная информация
В предыдущей статье об умножении частоты мы видели, что система с фазовой автоподстройкой частоты может генерировать выходной сигнал с частотой, которая выше частоты входного (опорного) сигнала. Это достигается включением делителя частоты в петлю обратной связи.
Структурная схема системы ФАПЧ с делителем частоты
Этот высокочастотный сигнал «наследует» от входного сигнала необходимые характеристики (то есть точность и стабильность частоты во времени и температуре). Следовательно, низкокачественный генератор, управляемый напряжением, в сочетании с высококачественным (но низкочастотным) опорным сигналом может создавать высококачественный высокочастотный сигнал.
Возвращение к переходному процессу
Мы уже обсуждали переходной процесс системы ФАПЧ, и, более конкретно, как разработать систему ФАПЧ с необходимым коэффициентом демпфирования (затухания колебаний). На следующем графике приведен пример управляющего напряжения ФАПЧ, которое быстро и плавно устанавливается на конечном значении:
Изменение управляющего напряжения при запуске системы ФАПЧ
На следующем графике показано управляющее напряжение для точно такой же цели, за исключением того, что я добавил в петлю обратной связи счетчик деления на два.
Изменение управляющего напряжения при запуске системы ФАПЧ (в петлю обратной связи добавлен делитель частоты)
Это не выглядит ужасно, но что-то определенно изменилось. Кроме того, управляющее напряжение не достигает стабильного состояния – вы можете видеть периодические изменения на пульсирующей амплитуде.
Если мы увеличим масштаб и посмотрим на входной и выходной сигналы, станет ясно, что у нас есть более серьезная проблема:
Осциллограммы входного и выходного сигналов системы ФАПЧ (в петлю обратной связи добавлен делитель частоты)
Выходная частота (fвых) определенно не в два раза больше входной частоты ( fвх ). Проблема здесь в том, что начальный управляющий ток ГУН не достаточно близок к 2 fвх ; другими словами, управляющее напряжение не может регулировать частоту ГУН на всём пути до 2 fвх .
Итак, первое, что нам нужно сделать, это удвоить смещение источника тока; это приведет к тому, что начальный управляющий ток достигнет значения, при котором создается fвых , которая находится вблизи fвх .
Увеличение смещения управляющего тока ГУН в LTspice
Как показывают следующие два графика, система ФАПЧ теперь работает довольно хорошо. Переходной процесс показывает хорошее демпфирование (затухание колебаний), и fвых =2 fвх .
Изменение управляющего напряжения при запуске системы ФАПЧ с умножением частоты после изменения смещения управляющего тока 
Осциллограммы входного и выходного сигналов системы ФАПЧ с умножением частоты после изменения смещения управляющего тока
Умножение частоты, коэффициент умножения
К сожалению, этот последний набор симуляций обманул нас. ФАПЧ работает хорошо, да, но это только потому, что коэффициент умножения (обозначается как N ) очень низок. Когда N = 2, переходной процесс всё еще довольно хорош, но если мы добавим больше счетчиков деления на два, чтобы получился N = 8, то обнаружится скрытая проблема:
Схема системы ФАПЧ для LTspice для умножения частоты на 8 
График управляющего напряжения для системы ФАПЧ с коэффициентом умножения частоты на 8 после запуска
Это определенно не то, что я бы назвал серьезно затухающим переходным процессом. На самом деле, похоже, что ФАПЧ никогда не достигнет синхронизации. Это, правда, не удивительно, если мы сделаем шаг назад и подумаем о влиянии делителя частоты. Из предыдущих статей мы знаем, что на коэффициент затухания влияет K , который я описал как общий коэффициент усиления системы, то есть коэффициент усиления фазового детектора, умноженный на коэффициент усиления ГУН. Но более точное описание K – это коэффициент усиления «петли», и путь обратной связи, конечно, является частью петли.
В базовой системе ФАПЧ путь обратной связи не влияет на K , потому что это просто прямое соединение; таким образом, K = KФД × KГУН . Но теперь в пути обратной связи у нас есть делитель частоты, поэтому общий коэффициент усиления становится равным:
Суть в том, что у нас больше нет хорошего коэффициента затухания (демпфирования), потому что изменился коэффициент усиления петли. К счастью, решение простое: мы умножаем коэффициент усиления ГУН (или ФД) на N , чтобы компенсировать деление на N . Как вы можете видеть на новом графике управляющего напряжения, необходимый переходной процесс был восстановлен.
Увеличение коэффициента усиления петли ФАПЧ 
График полученного управляющего напряжения
Гибкость относительно частоты
На данный момент, у нас есть хорошая идея о том, как, используя ФАПЧ, умножить входную частоту, и как изменить схему так, чтобы «коэффициент усиления» по частоте не испортил бы наш переходной процесс. Однако пока функциональность схемы несколько ограничена.
Допустим, мы потратили хорошие деньги на очень качественный кварцевый генератор с тактовой частотой 1 МГц, а затем занялись разработкой потрясающей системы ФАПЧ, чтобы смочь генерировать различные частоты из этого опорного тактового сигнала. Однако при наличии только делителя в пути обратной связи частотные параметры будут довольно ограничены: 2 МГц, 3 МГц, 4 МГц и так далее. И, фактически, если мы реализуем деление с помощью каскадно включенных триггеров, делящих на два, мы будем ограничены: 2 МГц, 4 МГц, 8 МГц и так далее.
В некоторых приложениях это может быть приемлемо, но если вы хотите большей гибкости, вы можете включить делитель частоты перед фазовым детектором:
Добавляем делитель частоты для опорного сигнала в системе ФАПЧ
Теперь у нас есть Nвход и Nобратная связь . Входная частота системы ФАПЧ становится равной fопорная / Nвход , а затем эта частота умножается на Nобратная связь . Таким образом,
Как видите, теперь у нас есть возможность умножать опорную частоту на дробные значения, а не только на целые числа.
Возможно, вы слышали термин «система ФАПЧ с дробным N », и было бы вполне понятно, если бы предположили, что это относится к архитектуре «дели и умножай», показанной выше. Однако это не так. Системы ФАПЧ с дробным N основаны на более сложной технологии, в которой значение делителя частоты изменяется между N и N +1 таким образом, чтобы создать среднее значение делителя, равное N плюс дробь. Этот процесс приводит к нежелательной модуляции частоты ГУН, но отрицательные эффекты этой модуляции могут быть смягчены путем рандомизации и формирования шума.
Заключение
Мы обсудили влияние «коэффициента усиления» на переходной процесс в петле ФАПЧ и увидели, что необходимый коэффициент затухания (демпфирования) можно восстановить, увеличив коэффициент усиления ГУН. Что касается синтеза частот, мы теперь знаем, что делитель частоты (расположенный перед фазовым детектором) может расширить наши возможности умножения частоты. Мы закончили с кратким объяснением архитектуры дробного N . Возможно, мы рассмотрим системы ФАПЧ с дробным N в будущем.
Если вы хотите поэкспериментировать с ФАПЧ самостоятельно, не стесняйтесь сэкономить немного времени, загрузив мою схему для LTspice по ссылке ниже.
Источник
