Деление частоты в радиотехнических системах

 
    Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования 
«Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана» 
 
 
 
 

Факультет Специальное машиностроение (СМ)

Кафедра Автономные информационные и управляющие

системы (СМ-5) 
 
 
 

 
 
    РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА 
 
 

    к курсовой работе 

    на  тему: Деление частоты в радиотехнических системах. 

            

    Студент  Трушин Т.А.    Группа 5-62 

           (фамилия, инициалы) (индекс)

    Руководитель  работы  Микаэльян С.В. 

          (фамилия, инициалы)

    2010 г. 

    министерство образования Российской Федерации

    

    Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования 
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

    Факультет                                                        СМ 

    Кафедра                                              СМ-5 

    ЗАДАНИЕ 
на курсовую работу

    по  курсу Радиотехнические цепи и сигналы 

    Студент  Трушин Т.А. 

    Руководитель  Микаэльян С.В. 

 
 

    Срок  выполнения проекта  по

 

    графику: 20% к   нед., 40% к   нед.,

     60% к   нед., 80% к   нед., 100% к   нед.

     Защита  курсовой работы                            200  г.

 

1. Тема  работы  Деление частоты в радиотехнических системах. 
2. Техническое задание  Разработка лабораторной работы для освоения основных принципов работы часто применяемых в радиотехнике схем деления частоты. 

           

3. Объем и содержание курсовой работы (графических работ   листов)

    (формата  21, расчетно-пояснительная  записка на   листах формата II).

           

          Руководитель  курсовой работы Микаэльян С.В. 

          Дата  выдачи « »   2010   г.

    Дополнительные  указания по работе.

           

 
 
 

Оглавление

Введение 4

Цель работы 5

Содержание работы 5

Краткие теоретические сведения 5

Понятие делителя частоты 10

Порядок выполнения работы 11

Указания по выполнению работы 11

Заключение 18

Список  литературы 19

 

 

    Введение

    Частоты колебаний, используемых в современной  радиотехнике, занимают очень широкую  полосу. Радиотехника немыслима без  возможности преобразовать частоту, т.е. перенести частоту  (или полосу частот), соответствующую определенному  сигналу (речи, музыке, изображению  и т.д.) из одной области частотного диапазона в другую. Именно с таким  преобразованием частоты мы имеем  дело в процессах модуляции и  детектирования.

    Однако  в ряде случаев появляется необходимость  увеличить или уменьшить частоту  точно в определенное число раз. Тогда говорят об умножении и  делении частоты.

    Данная  работа посвящена делителям частоты  синусоидальных колебаний, целью которой  является создание лабораторной работы, которая позволит студентам ознакомиться с теорией явления деления.

    В работе кратко изложен принцип деления частоты. Студентам предлагается исследовать влияние на работу схем различных параметров и сравнить теоретические расчеты с результатами экспериментов.

    Лабораторная  работа выполняется на ЭВМ при  помощи программ схемотехнического  моделирования Micro Cap и математического моделирования Mathсad.

 

    Цель  работы

    Изучение принципа деления частоты.

    Содержание  работы

    В работе изучается явление деления частоты. С помощью программ математического и схемотехнического моделирования оценивается полоса пропускания, влияние отклонения некоторых параметров. Проводится сравнительный анализ результатов. Лабораторная работа выполняется на ЭВМ при помощи программ схемотехнического моделирования Micro Cap  и математического моделирования Mathcad.

    Краткие теоретические сведения

    Понятие делителя частоты

    Делитель  частоты – устройство, позволяющее  поделить частоту, т.е. уменьшить её в определённое число раз. Однако не всякое устройство, позволяющее  получить поделенную частоту, т. е. преобразовать  частоту  в частоту (число K называется коэффициентом деления частоты), может быть названо делителем частоты. Для этого оно должно отвечать, по крайней мере, еще двум требованиям:

• При изменении частоты подводимого напряжения, в некотором достаточно малом диапазоне, частота напряжения на выходе устройства должна тоже измениться, и притом так, чтобы отношение частоты колебаний на входе к частоте колебаний на выходе по прежнему было бы абсолютно точно равно коэффициенту деления. Диапазон, в котором выполняется данное требование, называется полосой пропускания делителя или рабочим диапазоном. Иначе говоря, в полосе пропускания коэффициент деления не должен зависеть от входной частоты.
• Частота на выходе делителя совершенно не должна отклоняться при изменениях величин элементов делителя (индуктивностей, сопротивлений, емкостей и т. д.) в некоторых малых диапазонах, если только частота подводимого напряжения остается постоянной. Т.е. при изменении параметров устройства в допустимых пределах, коэффициент деления остаётся абсолютно точно равным требуемому. 

    Особенности делителя, отличающие его от преобразователя, можно показать на следующем примере. Частоту  можно преобразовать в частоту (в качестве примера рассматривается деление на два) с помощью устройства, схема которого изображена на рисунке 1. На входы перемножителя (X1) действуют два напряжения, одно из которых с частотой подается на вход схемы, а другое с частотой поступает от внутреннего вспомогательного генератора (V1):

    

    В результате чего на выходе возникают  колебания с частотами  и :

    

    Если  выбрать частоту  равной , то разностная частота как раз и даст частоту , т. е. мы получим напряжение поделенной частоты.

    

    Рис. 1. Преобразователь частоты

    Х1 – перемножитель сигналов,

    V1 – вспомогательный генератор.

 

          Однако, это устройство, состоящее из перемножителя сигналов (X1) и вспомогательного генератора (V1), представляет собой не делитель, а преобразователь частоты, поскольку оно не удовлетворяет тем двум требованиям, о которых было сказано выше. В отличие от делителя частоты, здесь и при неизменной входной частоте разностная частота может измениться и стать неравной , если только частота вспомогательного генератора отклонится вследствие нестабильности от значения . По этой же причине при изменении частоты входного сигнала частота на выходе устройства может измениться совершенно произвольно, так как вспомогательный генератор полностью независим. Более того, можно себе представить и такой случай, когда, несмотря на изменение входной частоты, частота колебаний на выходе схемы вообще не изменится из-за соответствующего ухода частоты вспомогательного генератора. Следовательно, отношение частоты входного сигнала к частоте выходной зависит и от параметров устройства, и от частоты входного сигнала, что не соответствует определению делителя частоты.

    Делители частоты

    

    Рис. 2. Простейший делитель частоты пополам

    Х1 – перемножитель сигналов,

    Х2 – полосовой фильтр,

    Х3 – усилитель с ограничением максимальной амплитуды.

          На рисунке 2. приведена схема делителя частоты на два.  В начальный момент, когда делитель ещё не начал работать, напряжение на его выходе обусловлено флуктуациями и представляет собой сумму бесконечного числа очень малых гармонических напряжений всех частот. Каждая гармоника на частоте при взаимодействии с входной гармоникой даёт напряжение двух частот и , в т.ч. и частота образующая саму себя и частоту . Из всех частот, частота занимает особое место, только она при умножении на входной сигнал порождает саму себя. Если усилитель (X3) компенсирует затухания в замкнутой цепи, то амплитуда колебаний на частоте будет нарастать, до тех пор, пока не скажутся ограничивающие свойства усилителя.

          При изменениях частоты  входного сигнала отношение  не будет изменяться. За исключением случая, когда выйдет за пределы рабочего диапазона, в таком случае гармонических колебаний на выходе не будет. Допустимые изменения параметров делителя, например коэффициента усиления или полосы пропускания фильтра, не повлияют на коэффициент деления.   

    Ознакомимся со схемой более сложного делителя типа , где N – порядок умножителя. Без потери общности рассмотрим схему делителя на 2/3 приведенную на рисунке 3. В качестве умножителя частоты здесь используется устройство передающее напряжение по модулю. В начальный момент, напряжение на внутреннем входе перемножителя сигналов  обусловлено флуктуациями. Каждая гармоника при перемножении с входным сигналом порождает напряжение двух частот и ,  которые пройдя через фильтр Х2, умножитель частоты Х3 и фильтр Х4 на выходе образуют соответствующие гармоники. Из всех частот, частота занимает особое место. При умножении на входной сигнал она порождает частоту , которая, при условии попадания в рабочий диапазон частот, пройдя через Х2, Х3, Х4 преобразуется в саму себя, т.е. в . Если усилитель (X3) компенсирует затухания в замкнутой цепи, то амплитуда этих колебаний будет нарастать, до тех пор, пока не скажутся ограничивающие свойства усилителя.

    

    Рис. 3. Делитель частоты на 2/3

    Х1 – перемножитель сигналов,

    Х2 – полосовой фильтр на частоту  ,

    Х3 – умножитель частоты на 2 (устройство взятия модуля входного напряжения),

    Х4 – полосовой фильтр на частоту ,

    Х5 – усилитель с ограничением максимальной амплитуды,

    где – центральная частота рабочего диапазона входных частот.

    Если  за выходное напряжение принять напряжение на выходе фильтра (Х2), то получим делитель типа  , схема такого делителя приведена на рисунке 4. Если же к его выходу подключить соответствующий умножитель, то получим делитель типа .

    Расчет  делителя методом баланса амплитуд

    

    Рис. 4. Схема делителя частоты типа 1/(N+1)

    X1 – перемножитель сигналов,

    X2 – полосовой фильтр на частоту ,

    X3 – умножитель частоты на N,