8,6. УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ

Наличие в составе импульсного тока ряда гармоник с частотами, кратными основной частоте возбуждения, позволяет использовать усилитель, работающий с отсечкой тока, в качестве умножителя частоты. Для этого не требуются какие-либо изменения в схеме резонансного усилителя, достаточно лишь нагрузочный колебательный контур настроить на частоту выделяемой гармоники и установить наиболее выгодный для подчеркивания полезной гармоники режим работы активного элемента. Из графиков, изображенных на рис. 8.12, видно, что для удвоения частоты выгодно работать с углом отсечки, близким к 60°, при котором коэффициент второй гармоники проходит через максимум, для утроения частоты - с углом отсечки 40° и т. д.

Если контур настроен на частоту лсоц, л = 2, 3, то гармоники тока порядков п- 1 и более низких пройдут преимущественно через индуктивную ветвь, а гармоники порядков /г + 1 и более высоких - через емкостную ветвь контура. При достаточно высокой добротности напряжение на контуре от всех гармоник, за исключением п-й, очень мало. Поэтому напряжение на контуре близко к гармоническому с частотой лшп-

Следует иметь в виду, что для полного использования .мощности электронного прибора уменьшение угла отсечки должно осуществляться при поддержании амплитуды импульса неизменной. Для этого одновременно с изменением смещения \uq\ нужно увеличивать амплитуду переменного напряжения на входе Е. На рис. 8.16 углу 9 = 90° соответствует смещение оъ углу 9 = 60°- смещение 112 и т. д.; амплитуды £j, Е, ... выбраны такими, что /„, остается неизменной. Можно поэтому считать, что для умножителя частоты характерен режим работы с болмиими амплитудами входного напряжения.

Это обстоятельство наряду с уменьшением полезной мощности при повышении порядка умножения из-за убывания коэффициентова„ (см. рис. 8.12) существенно ухудшает энергетические соотношения в умножителях.

Схема замещения умножителя частоты внешне не отличается от схемы замещения нелинейного усилителя (см. рис. 8.15, б). Следует лишь по аналогии с выражением (8.33) под средней крутизной подразумевать

5,р = IJE ~ 5 (1 - CO.S 9) а,,,, (8.37)

где коэффициент п-й гармоники а„ определяется формулой (8.26).

Рис, 8.16. К выбору угла отсечки в умножителе частоты при различных коэффициентах умножении

Рис. 8.17, Напряжение на выходе умножителя частоты при недостаточно высокой добротности резонансной цепи

Соответственно и внутреннее сопротивление электронного прибора, приведенное к используемой гармонике,

/?;/?,./a„(l-cos9). (8.38)

Умножение частоты широко применяется в радиопередающих устройствах с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора. Частота этого генератора выбирается относительно невысокой, в 4-12 раз меньшей рабочей частоты передатчика, благодаря чему создаются благоприятные условия для использования пьезоэлектрического эффекта кварцевой пластинки. Умножение частоты осуществляется в последующих каскадах передатчика на малой мощности. Чаще всего применяется удвоение, реже утроение частоты в одном каскаде.

Умножение частоты широко используется также в ряде измерительных устройств, когда требуется получить сетку частот, кратных какой-либо одной определенной частоте, рассматриваемой в качестве опорной. В подобных устройствах используется электронный прибор, работающий сочень малым углом отсечки. Подавая на вход достаточно большое переменное напряжение (при большом смещении), можно получить ток в виде последовательности весьма острых импульсов. Такой ток богат гармониками, образующими очень широкий линейчатый спектр. При воздействии этого спектра на контур напряжение на последнем может сильно отличаться от синусоидального, так как в полосу прозрачности контура попадает ряд гармоник. В подобных случаях напряжение на контуре частоудобно определять исходя не из спектрального представления импульсного тока, а из рассмотрения свободных колебаний, возбуждаемых каждым из импульсов тока в отдельности (рис. 8.17). В промежутке Т между двумя импульсами тока амплитуда напряжения на контуре убывает по закОну

где (Орз - частота свободных колебаний в контуре; Q - добротность.

Если к началу следующего импульса колебание, вызванное предыдущим импульсом, не успевает полностью затухнуть, необходимо учитывать наложение свободных колебаний. При расчете и проектировании умножителя частоты приходится учитывать деформацию импульсов тока, обусловленную нелинейностью внутренних сопротивлений усилительного прибора. Эта деформация проявляется в приборах полупроводникового типа.

Умножение частоты возможно также и с помощью реактивных нелинейных элементов, например варакторов. Этот вопрос рассматривается в § 8.15.

8.7. АМПЛИТУДНОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ

В радиотехнике часто возникает необходимость устранить нежелательные изменения амплитуды высокочастотного колебания, возникающие из-за накладки помех на радиосигнал, при передаче частотно-модулированных колебаний через избирательные цепи и т. д.

Для этого широко используются амплитудные ограничители, представляющие собой сочетание нелинейного элемента и избирательной нагрузки. Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента должна иметь четко выраженную горизонтальную часть, а полоса пропускания избирательной цепи должна быть не шире той, которая требуется для передачи информации, содержащейся в частоте (или фазе) ограничиваемого колебания. В качестве амплитудного ограничителя может быть использован, в частности, обычный нелинейный резонансный усилитель, рассмотренный в § 8.5, в режиме работы, показанном на рис. 8.18.

Пусть к ограничителю подводится колебание вида

е (t} = E(t) cos uy-J-B (OJ, (8.39)

причем из.менение огибающей Е (t) является нежелательным, паразитным фактором. Если это изменение не выходит за пределы горизонтального участка характеристики i = f (и), как это показано на рис. 8.18, то и.мпульсы тока имеют одинаковую амплитуду, независимо от Е (t). Несколько изменяется лишь ширина вершины импульсов. Поэтому можно в первом приближении считать, что амплитуда первой гармоники, а следовательно, и амплитуда напряжения на колебательном контуре являются в некотором интервале изменения амплитуды Е (t) постоянными величинами.

Характеристику ограничителя с избирательной нагрузкой, обеспечивающей отфильтровывание высших гармоник, можно представить в виде, изображенном на рис. 8.19. Через Е обозначено пороговое значение амплитуды входного напряжения, начиная с которого обеспечивается полное ограничение на уровне Uq.

При Е (О > -Ёпор амплитуда на выходе почти не из.меняется. Фаза же первой гармоники тока и соответственно выходного напряжения совпадает с фазой напряжения на входе ограничителя.

Поэтому для выходного напряжения можно написать следующее выражение:

«вых (t) » Vo cos к / + о (01. (8.40)

Амплитуда выходного напряжения Uq определяется параметрами нелинейного элемента и избирательной нагрузки. Для схемы, изображенной на рис. 8.15, б, Uq = liZg, где /j - амплитуда первой гармоники, определяемая с учетом уплощения вершины импульса, а Z,, - эквивалентное резонансное сопротивление контура.

Для ряда практических задач особый интерес представляет воздействие на амплитудный ограничитель двух сигналов с близкими частотами.

Пусть, например, определяемое выражением (8.39) напряжение е (t) является суммой двух гармонических колебаний:

е (t) == El cos oj, Ч- E.2 cos со.,/, E., < E. (8.41)

Каждое из этих напряжений, действуя отдельно, создает на выходе ограничителя простое гармоническое колебание с частотой о), (или ы.,) и с

=e(tj = mjco {Mi,t + 9(t)]

Рис. 8.18. Режим работы ограничителя амплитуды

Рис. 8.19. Харакгерисгика резонансного ограничителя