3 Измерительные генераторы сигналов

3.1 Общие сведения

Измерительные генераторы - источники, вырабатывающие ста­бильные испытательные сигналы с известными параметрами, ча­стотой, напряжением (мощностью) и формой.

Измерительные генераторы обладают высокой точностью установки и стабильностью, а также возможностью регулировки параметров выходного сигнала. Их применяют при настройке измерительной и радиоэлектронной аппаратуры, устройств автоматики и вычислительной техники, градуировке приборов. С помощью измерительных генераторов амплитудно-частотные и переходные характеристики четырехполюсников, опре­деляют их коэффициенты передачи и шума; питают различные измерительные устройства, построенные на резонансных и мостовых методах.

По диапазону частот генерируемых сигналов различают измерительные генераторы инфранизкочастотные - диапазон частот до 20 Гц; низкочастотные - диапазон ча­стот 20-200000 Гц (20-20 000 Гц - звуковые, 20 000-200 000 - ультразвуковые); высокочастотные - диапазон частот 200 кГц - 30 МГц; сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом - диа­пазон частот 30 МГц - 10 ГГц; сверхвысокочастотные с волноводным выходом - диапазон частот выше 10 ГГц.

По форме генерируемых сигналов разли­чают измерительные генераторы синусоидальные; импульсные (источники одиночных или периодических видеоимпульсов прямо­угольной формы); специальной формы (источники треугольной, трапецеидальной, пилообразной синусквадратной и других форм); качающейся частоты (маломощные источники колебаний со специаль­ным, часто линейным, законом изменения частоты); шумовые (источники переменных напряжений с бесконечно широким сплошным спектром частот и калиброванным уровнем).

По виду модуляции различают измерительные генераторы с модуляцией амплитудной синусоидальной; частотной синусоидальной; импульсной; частотной, фазовой, комбинирован­ной (одновременное осуществление двух или более видов модуля­ции).

Измерительные генераторы характеризуются диапазоном гене­рируемых частот; точностью установки частоты и постоянством ее градуировки; стабильностью генерируемых сигналов по вре­мени, частоте, амплитуде и форме; искажением генерируемых сиг­налов заданной формы; зависимостью параметров выходного сиг­нала от внешней нагрузки и пределами их регулировки; степенью экранирования паразитных электромагнитных полей.

По назначению и допускаемые основным погрешностям установки максимального значения напря­жения импульсов, длительности, частоты следования измеритель­ные генераторы делятся на классы.

3.2 Низкочастотные измерительные генераторы синусоидальных колебаний

Низкочастотные измерительные генераторы (звуковой и ультра­звуковой частот) вырабатывают синусоидальные колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц - 200 кГц), ампли­тудой (от долей милливольта до 150 В) при нескольких фиксиро­ванных значениях сопротивления нагрузки. Максимальная мощ­ность - от 1 мВт до 10 Вт.

Степень нелинейных искажений гармонического выходного сигнала характеризуется коэффициентом гармоники, равным отно­шению среднеквадратичного напряжения суммы всех гармоник сигнала , кроме первой, к среднеквадратичному напряжению первой (основной) гармоники:

(3.1)

Обычно значение (3.1) выражают в процентах. Коэффициент зависит от значений частоты и выходной мощности сигнала. Диапазон генерируемых частот характеризуется коэффициентом перекрытия , равным отношению максимальной генерируемой частоты к минимальной :

(3.2)

Расширение диапазона генерируемых частот возможно за счет применения частичных поддиапазонов.

Стабильность частоты генератора определяется отношением абсолютного изменения частоты к начальной частоте при определенных условиях:

(3.3)

где - частота генератора, измененная внешними условиями.

Точность установки частоты определяется качеством шкальных устройств и механизмов органов настройки.

Значение абсолютной погрешности установки частоты для гене­раторов низких частот обычно выражается в виде

(3.4)

где - относительная погрешность; n - минимальное значе­ние абсолютной погрешности установки частоты, Гц.

Измерительные генераторы имеют малое выходное сопротивление, значение которого можно регулировать для согласования с сопротивлением внешней нагрузки. В них регулировка в широких пределах частоты и напряжения (мощности) выходного сигнала.

Измерительный генератор состоит из задающего генератор а, выходного усилителя, выходного устройства (аттенюатора, согла­сующего трансформатору электронного вольтметра) (рис. 3.1).

Задающий генератор (возбудитель) создает стабильные по частоте и амплитуде синусоидальные колебания в требуемом диапа­зоне частот. Он во многом определяет характеристики измеритель­ного генератора (форму или периодичность выходного сигнала).

В зависимости от схемного решения задающего генератора изме­рительные генераторы делят на LC-генераторы, генераторы на биениях и RC-генераторы.

Выходной усилитель обеспечивает развязку задающего генератора от нагрузки, усиливает напряжение (мощность) генерируемых колебаний (повышает энергетический уровень сигналов) на задан­ной нагрузке, т. е. согласует выход задающего генератора с вы­ходным устройством измерительного генератора.

Рисунок 3.1 – Схема измерительного генератора низкой частоты

В состав выходного устройства входят аттенюатор, согласующий трансформатор, электронный вольтметр. Аттенюатор и элек­тронный вольтметр служат для регулировки и контроля уровня выходного напряжения (мощности), подводимого к нагрузке. Согласующий трансформатор предназначен для согласования (урав­нивания) выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки, что обеспечит получение максимальной выходной мощ­ности и минимальных нелинейных искажении.

LC - генераторы. В LC - генераторах частота генерируемых коле­баний f определяется емкостью С и индуктивностью L колеба­тельного контура задающего генератора, работающего в режиме самовозбуждения:

(3.5)

Основные недостатки LC - генераторов - громоздкость колебательного контура и сложность его перестройки. Для создания измерительного генератора с регулируемой частотой от 20 Гц до 20 кГц, т. е. при коэффициенте перекрытия , равном , требуются большие емкости и индуктивности. LC - генераторы широкого распространения не получили и изготовляются на узкий диапазон частот либо на одну или несколько фиксированных ча­стот.

Генераторы на биениях. Задающий генератор составлен из двух высокочастотных, близких по частоте маломощных генераторов LC - типа, смесителя и фильтра низких частот (рис. 3.2). Генера­тор фиксированной частоты генерирует колебания фиксированной частоты , частота генератора регулируемой частоты плавно регулируется в некоторых пределах. Напряжения этих частот через буферные каскады (катодные или эмиттерные повторители) поступают на смеситель. В результате взаимодействия колебаний с частотами и на выходе смесителя образуются колебания серии комбинационных частот (m и n — целые числа) и частоты f, равной разности частот . Фильтр низких частот задерживает высшие частоты и выделяет разностную частоту, т.е. частоту биений f, напряжение которой усиливается в усилителе низких частот и через аттенюатор подается на выход. До аттенюатора включен вольтметр выходного напряжения.

Значения частот и выбирают такими, чтобы разностная частота f лежала в диапазоне низких частот (например, ). Недостатки генераторов на биениях - сложность схемы и относительная неста­бильность низкой частоты. Однако эти генераторы применяют в измерительной технике, поскольку выходное напряжение не за­висит от частоты и весь диапазон выходных частот плавно меняется с изменением емкости переменного конденсатора в колебательном контуре генератора регулируемой частоты.

Рисунок 3.2 – Схема генератора на биениях

Примером генератора на биениях служат генераторы ГЗ-18, ГЗ-104.

RC – генераторы. Наиболее распространенными измерительными генераторами низкой частоты являются RC - генераторы, выпол­ненные по схеме, изображенной на рис. 3.1 и характеризующиеся простотой схемы и хорошими характеристиками. Задающий RC - генератор представляет собой двухкаскадный усилитель с RC поло­жительной частотно-зависимой связью (рис. 3.3).

Положительная обратная связь создается фазирующим делителем, образованным резисторами и конденсаторами , и , _, предназначенными для обеспечения условий самовозбуждения лишь на одной частоте.

Условие генерации напряжения синусоидальной формы запи­шется в виде

или (3.6)

где - комплексный коэффициент передачи усилителя; - комплексный коэффициент обратной связи.

Из последнего уравнения следует:

условие баланса амплитуд ;

условие баланса фаз , где n = 1, 2, ... .

Так как RC - генератор обычно строится по схеме двухкаскадного усилителя на резисторах, для которого (К - величина вещественная), то для выполнения условия баланса фаз угол должен быть равен нулю (коэффициент должен быть ве­щественным).

Из рисунка 3.3 видно, что . После подстановки в это выражение значений и с учетом, что и , получим . Коэффициент веществен, т.е. , если его мнимая часть равна нулю, т. е. . Из этого выражения можно определить частоту самовозбуждения:

. (3.7)

На данной частоте .

Изменение частоты, при которой имеет место баланс фаз, достигается измене­нием сопротивления R и емкости С.

Рисунок 3.3 – Схема RC-генератора

Условие баланса амплитуд выполняется при . Генератор с малым коэффициентом работает нестабильно. Чтобы сохранить стабильность во всем рабочем диапазоне генерирования, применяют усилители с большим коэффициентом вводят допол­нительную отрицательную обратную связь, которая регулируется автоматически и позволяет уменьшить коэффициент усиления до и обеспечить работу усилителя в пределах линейного ре­жима.

Цепь отрицательной обратной связи представляет собой дели­тель напряжения, образуемый из инерционного нелинейного рези­стора с отрицательным температурным коэффициентом (термистора) и резистора с которого снимается напряжение отрица­тельной обратной связи. Отрицательная частотно-независимая связь стабилизирует работу генератора во всём диапазоне генерируемых частот и автоматически поддерживает уровень выходного напряжения задающего генератора неизменным. Например, при увеличении выходного напряжения увеличивается ток в цепи отри­цательной обратной связи, что приводит к уменьшению сопротивле­ния термистора, т. е. к увеличению коэффициента обратной связи и приближению выходного напряжения к номинальному значению. Частоту генератора регулируют изменением сопротивлений рези­сторов и емкостей конденсаторов фазирующей цепи. Ступенчатое изменение значений сопротивления позволяет весь диапазон частот разбивать на несколько поддиапазонов. Плавная установка частоты внутри поддиапазонов достигается изменением емкости С конденсаторов.

Рисунок 3.4 – Схема выходного устройства генератора

Выходной усилитель предназначается для создания необходимой мощности на нагрузке во всем диапазоне генерируемых частот. Напряжение на выходе усилителя изменяется от нуля до максимума с помощью резистора, включенного на его входе. Усилительсостоит из каскадов усиления напряжениями усиления мощности. Первый каскад представляет собой фазоинвертор, превращающий однотактное входное напряжение в двухтактное; второй каскад - усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме с глубокой отрицательной обратной связью, нагрузкой которого является выходное устройство (рис. 3.4). Напряжение на выходе усилителя измеряется вольтметром.

Выходное устройство состоит из градуированного аттенюатора и согласующего трансформатора СТр и вольтметра.

Аттенюатор (ослабитель) представляет собой резистивный дели­тель напряжения и состоит из последовательно соединенных Т- и П- образных звеньев, которые при коммутации обеспечивают ослабление сигнала N ступенями, т.е. , где , - входное и выходное напряжения аттенюатора; N - ослабление сигнала, дБ.

Особенность аттенюатора в том, что значения входного и выходного сопротивлений мало зависят от установлен­ного значения затухания. Калибровка аттенюатора производится при условии работы на согласованную нагрузку; это выгодно также тем что на нагрузке выделяется максимально возможная выходная мощность. Поэтому вторичная обмотка согласующего трансформатора СТр выпол­няется секционированной, число ее витков изменяют таким обра­зом, чтобы приведенное к первичной обмотке сопротивление на­грузки было равно сопротивлению первичной обмотки транс­форматора СТр и было одинаково для всех указанных (на лице­вой панели измерительного генератора) значений нагрузки, т. е.

(3.8)

где - коэффициент трансформации трансформатора СТр; и - соответственно число витков первичной и каждой сек­ции вторичной обмоток.

Для выполнения условия согласования при различных значе­ниях сопротивления нагрузки коэффициент трансформации , а число витков .

Переключение выхода генератора на различные нагрузки про­изводится переключателем . В положении аТТ переключателя к выходным зажимам подключается непосредственно выход аттеню­атора. Аттенюатор обычно рассчитывается на активную нагрузку 600 Ом, поэтому коэффициент трансформации n соответственно для различных значений сопротивлений нагрузки равен:

для

для

для

При высокоомной внешней нагрузке, превышающей наибольшее значение, указанное на лицевой панели измерительного трансформатора, условия согласования выполняются только при включенной к зажимам аттенюатора внутренней нагрузке , равной 600 Ом, когда согласующий трансформатор СТр отключается и напряжение на нагрузку подается непосредственно с точек а и b аттенюатора (переключатель находится в положении - включено).

При работе на несимметричную нагрузку один из выходных зажимов (1 или 2) согласующего трансформатора СТр соединяют с заземленным зажимом 4.

Вторичная обмотка согласующего трансформатора имеет вывод 3 от средней точки, что позволяет еще в два раза уменьшить значение выходного сопротивления, а также получить одновременно два напряжения, равных по значению, но противоположных по фазе.

Вольтметр подключается к входу аттенюатора и служит для контроля выходного напряжения генератора. Он представляет собой сочетание мостовой схемы с двумя полупроводниковыми диодами и магнитоэлектрического измерительного механизма. Шкала вольтметра отградуирована в действующих значениях синусоидального сигнала - в вольтах. Вольтметр имеет также шкалу, отградуированную в децибелах. Ослабление в децибелах отсчитывается относительно уровня 0,775 В.

По схеме RC - генераторов выполнены источники синусоидаль­ного напряжения низкой частоты марок ГЗ-33; ГЗ-34; ГЗ-102.