Умножитель частоты на четыре расширяет диапазон измерений низких частот до четырех декад

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2018

David Conrad

Electronic Design

Сложность измерения низких частот связана с тем, что время измерения часто бывает слишком мало по сравнению с относительно длинным периодом сигнала. Предлагаемая схема, некритичная к подбору компонентов, автоматически умножает входную частоту в четыре раза, чтобы обеспечить измерение частот от 1 Гц до 40 Гц, а также отслеживание скачков входной частоты.

Время стробирования в частотомерах нередко бывает слишком коротким, чтобы с достаточным разрешением измерять низкие частоты. Для умножения входной частоты могут использоваться схемы ФАПЧ. Но в некоторых случаях сигнал изменяется слишком быстро по сравнению с временем захвата ФАПЧ.

Для решения этой проблемы используется схема, показанная на Рисунке 1, которая умножает входную частоту на четыре, охватывая диапазон измерений от 1 Гц до более чем 40 кГц, и может отслеживать даже скачкообразные изменения частоты в любом месте этого диапазона.

Рисунок 1.	Исходная схема умножителя на 4 для входных сигналов до 40 кГц, обеспечивающая эффективное измерение частоты даже при малой длине строба.

Однако с этим простым подходом связана одна проблема. Постоянная задержка в элементе U2D (как это видно на выходе U3B) в нижних декадах приводит к некорректной работе схемы, из-за чего она начинает умножать не на четыре, а на два  (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Недостатком схемы является тенденция к инициированию умножения на два в нижней части диапазона из-за фиксированной задержки в элементе U2D.

Схема, решающая эту проблему и обеспечивающая квадратурный выход во всем диапазоне частот, изображена на Рисунке 3. Для создания постоянного фазового сдвига 180° относительно входного сигнала используются фазоопережающая и фазозадерживающая цепи на операционных усилителях U5A и U5B, соответственно.

Рисунок 3.	Добавление к схеме функции квадратуры заменяет фиксированное время задержки фиксированным сдвигом фаз, соответствующим переменной временной задержке, и решает проблему исходной схемы.

Подключение входов компараторов U6A и U6B к выходам операционных усилителей U5A и U5B уменьшает фазовый сдвиг между двумя выходами компараторов до 90°. Постоянная фаза означает переменную задержку, а значит, и решение проблемы исходной схемы.

Преимущества квадратурной схемы видны из Рисунка 4. На входы первого элемента «исключающее ИЛИ» (U8A) поданы сигналы двух квадратурных выходов U7A и U7C. В результате входная частота умножается на два. Второй элемент «исключающее ИЛИ» (U8D) вырабатывает импульс по каждому положительному и отрицательному фронту выходного сигнала U8A, еще раз умножая его на два. Таким образом, на каждый период входного сигнала на выходе U8D формируются четыре импульса, расположенных на равных расстояниях друг от друга.

Рисунок 4.	Совершенно очевидно, что квадратура и умножение частоты на четыре улучшают характеристики схемы на частоте 20 Гц по сравнению с ее первоначальным вариантом.

Квадратура (сдвиг фаз на 90°) обеспечивает равенство промежутков между выходными импульсами при любых изменениях частоты, поэтому стробирование последовательности импульсов всегда будет происходить правильно. Квадратура поддерживается с точностью +0°/–5° в диапазоне от 1 Гц до 49 кГц, но при показанных на схеме номиналах компонентов теряется на частоте выше 49 кГц.

Скорость, при которой сохраняется точность слежения после ступенчатого изменения частоты, ограничена временем, необходимым для получения четырех выходных импульсов на новой частоте, которое составляет 1/f секунд. Это означает, что точность отслеживания является функцией входной частоты. При скачке частоты от высокого значения к низкому требуется, по крайней мере, 1/f_L секунд, чтобы на выходе установилась частота, в четыре раза превышающая входную (f_L – нижняя частота диапазона).

Выходной импульс сделан достаточно широким для того, чтобы надежно захватываться процессором или другим устройством счета. Если он будет слишком широким, это ограничит верхнюю частоту, на которой может происходить умножение. Слишком короткий импульс будет пропущен микропроцессором или счетчиком.

При использованных в схеме номиналах компонентов длительность выходного импульса равна 5.6 мкс. Это ограничивает максимальную теоретическую умноженную выходную частоту значением 89.3 кГц (входная частота меньше или равна 22.3 кГц). Номиналы цепей формирования квадратуры ограничивают максимальную входную частоту до 49 кГц, или до 196 кГц на выходе умножителя. Если бы ширину выходного импульса можно было сделать равной 2.5 мкс, максимальная умноженная выходная частота достигала бы 196 кГц.

Подбором номиналов компонентов схемы можно сдвигать эффективный диапазон умножения вверх или вниз, приводя его в соответствие требованиям пользователя. При использовании быстрых операционных усилителей, компараторов и логических элементов схема способна работать на радиочастотах.

Материалы по теме