Простой удвоитель частоты треугольных сигналов

При использовании функционального генератора иногда может потребоваться синусоидальный выходной сигнал с частотой, более высокой, чем может обеспечить прибор. Если функциональный генератор также выдает импульсы треугольной формы, можно увеличить доступную частоту генератора вдвое, используя удвоитель частоты. В опубликованной ранее статье [1] описывалась схема удвоителя частоты последовательности треугольных импульсов, в которой используются операционные усилители, ограничивающие выходную частоту значением порядка примерно 20 кГц.

Рисунок 1.	Двухполупериодный выпрямитель, буфер и фильтр нижних частот превращают последовательность треугольных импульсов в синусоидальный сигнал удвоенной частоты.

В этой статье описывается удвоитель частоты, формирующий выходной синусоидальный сигнал с частотой от 4 до 6.7 МГц, выходной размах которого при нагрузке 50 Ом может находиться в диапазоне от 110 мВ до 1.30 В. Как указывалось в [1], при подаче симметричных треугольных импульсов на двухполупериодный выпрямитель на его выходе образуются смещенные на постоянный уровень треугольные импульсы, частота которых в два раза превышает входную частоту. Любая асимметрия формы входного сигнала позволяет некоторой части основной частоты входного сигнала проходить на выход. Кроме того, источником дисбаланса амплитуды или фазы, приводящего к проникновению некоторой части входного сигнала на выход, может быть входной трансформатор схемы T₁.

Для создания широкополосного трансформатора с хорошей симметрией амплитуд и фаз скрутите вместе три эмалированных провода AWG #30 (0.05 мм²) с шагом примерно 10 скруток на дюйм (4 на сантиметр). Намотайте семь витков скрученных проводов на тороидальный сердечник Fair-Rite 2643002402. (Каждый проход провода через центральное отверстие сердечника считается одним витком). Соедините провода так, как показано на Рисунке 1. (Для получения дополнительной информации об этом типе трансформатора см. [2] и Рисунок 2). Этот метод позволяет сделать широкополосный трансформатор с хорошей амплитудной и фазовой симметрией.

Рисунок 2.	Трансформатор Т1 на Рисунке 1 содержит три обмотки на тороидальном ферритовом сердечнике. Для удобства сборки скрутите в жгут три провода разного цвета, чтобы сформировать обмотки.

Чтобы добиться максимального ослабления входной частоты, в качестве D₁ и D₂ следует использовать согласованную пару диодов Шоттки. Однако прототип схемы показал отличные результаты и с несогласованными диодами. На Рисунке 1 диод D₃ создает небольшое отрицательное смещение для D₁ и D₂, позволяя работать при низких уровнях сигнала. Конденсатор С₁ пропускает выпрямленные треугольные импульсы удвоенной частоты на базы комплементарного эмиттерного повторителя, состоящего из транзисторов Q₃ и Q₄ и связанных с ними компонентов. Простой двухэлементный фильтр нижних частот на выходе повторителя удаляет высокочастотные гармоники. В качестве L₁ можно использовать любой дроссель с индуктивностью 1.6 мкГн и добротностью 20 или выше. Хотя заметных изменений частотной характеристики фильтра дроссель с добротностью менее 10 не вызовет, значение ниже 20 увеличивает потери, вносимые дросселем, и уменьшает максимальную доступную амплитуду выходного сигнала.

Простой двухэлементный выходной фильтр нижних частот обеспечивает адекватные характеристики для симметричного треугольного входного сигнала, поскольку частотные компоненты выходного сигнала содержат входной сигнал удвоенной частоты и только нечетные гармоники полезного выходного сигнала. При частоте выходного сигнала 5 МГц третья гармоника проявляется на частоте 15 МГц с амплитудой –19 дБ относительно сигнала 5 МГц. Фильтр нижних частот дополнительно увеличивает ослабление на 15 дБ на частоте 15 МГц, в результате чего уровень третьей гармоники на частоте 15 МГц составляет –34 дБ относительно выходного сигнала 5 МГц, а гармоники более высокого порядка ослабляются до еще более низких уровней.

Нефильтрованный выходной сигнал комплементарного эмиттерного повторителя содержит треугольные импульсы, частота которых вдвое превышает частоту входного сигнала, плюс нечетные гармоники удвоенной входной частоты. Например, при подаче на вход схемы треугольного сигнала частотой 2.5 МГц на входе фильтра нижних частот будет последовательность треугольных импульсов с частотой 5 МГц. При почти идеальных треугольных импульсах входной сигнал фильтра состоит из основной частоты 5 МГц и только ее нечетных гармоник. Ближайший паразитный сигнал представляет собой третью гармонику сигнала 5 МГц с уровнем –19 дБ, которую можно легко отфильтровать.

Чтобы использовать схему на более высоких частотах, разделите значения номиналов компонентов выходного фильтра L₁ и C₈ на F_NEW/5, где F_NEW – желаемая выходная частота в мегагерцах. Например, при выборе F_NEW = 20 МГц номиналы L₁ и C₈ потребуется разделить на четыре, что дает новые значения 0.4 мкГн и 140 пФ, соответственно. Моделирование схемы с измененным фильтром в Spice показывает адекватное подавление гармоник в диапазоне частот выходных сигналов от 16 до 26.8 МГц. Хотя схема рассчитана на работу на частоте 5 МГц, остальная ее часть хорошо работает на частоте 20 МГц без дополнительных модификаций. Этот удвоитель частоты может также работать с синусоидальными входными сигналами. Однако в нефильтрованном выходном сигнале схемы будут содержаться более высокие уровни четных и нечетных гармоник полезного сигнала, поэтому для получения высококачественного синусоидального выходного сигнала потребуется дополнительная фильтрация.

Ссылки

1. Alexander Belousov. «Удвоитель частоты последовательности треугольных импульсов»
2. Demaw, MF “Doug,” Applying Toroidal Cores: Ferromagnetic-Core Design and Application Handbook, ISBN: 0133140881, Prentice Hall, 1996, pg 97.

Материалы по теме

1. Datasheet Fair-Rite 2643002402
2. Datasheet Amidon FT-23-61
3. Datasheet Vishay 1N914
4. Datasheet Vishay SD101