Раздел 3 Генераторы измерительные

Тема 3.1 Общие требования и характеристики измерительных генераторов

План:

1. Классификация измерительных генераторов по разным признакам. Назначение. Основные параметры.

2. Генераторы низкой частоты (ГНЧ).

3. Генераторы высокой частоты (ГВЧ).

4. Генераторы импульсных и шумовых сигналов

1 Классификация измерительных генераторов по разным признакам. Назначение. Основные параметры

Для измерения параметров различных электронных устройств ис-пользуют электрические сигналы различных напряжений, частот и форм.

Устройства, предназначенные для выработки таких испытательных сигналов, называются измерительными генераторами (ИГ).

С помощью ИГ можно снимать амплитудные, амплитудно-частотные и переходные характеристики четырехполюсников (например, усили-телей), определять их коэффициенты передачи и шума, измерять специальными методами частоты электрических колебаний, настраивать радиопередатчики, радиоприемники, телевизоры и т. п.

ИГ оценивают с помощью следующих характеристик:

1) диапазон генерируемых частот;

2) точность установки частоты и постоянство ее градуировки;

3) стабильность колебаний во времени как по частоте, так и по напряжению и форме;

4) искажения генерируемых колебаний заданной формы;

5) изменение напряжения выходного сигнала при перестройке ча-стоты генератора;

6) зависимость параметров выходного сигнала (частоты, напряже-ния и формы колебаний) от внешней нагрузки и пределы их регули-ровки;

7) степень экранирования паразитных электромагнитных полей.Измерительные генераторы промышленного изготовления разде-ляются на 8 видов (см. § 1-2). По диапазону частот генерируемых колебаний ИГ разделяют на:

инфранизкочастотные (диапазон частот до 20 Гц);

низкочастотные (диапазон частот 20—200 000 Гц);

высокочастотные (диапазон частот 30 кГц — 30 МГц);

сверхвысокочастотные (СВЧ) с коаксиальным выходом (диапазон частот 30 МГц — 10 ГГц);

сверхвысокочастотные с волноводным выходом (частоты выше 10 ГГц).

По форме выходных сигналов ИГ делят на генераторы: синусоидальных сигналов, прямоугольных импульсов, генераторы пилообразного,трапецеидального напряжения и т. д.

В радиолюбительской практике наибольшее применение находят низкочастотные и высокочастотные измерительные генераторы, СВЧ генераторы метровых волн, а также импульсные генераторы.

2. Генераторы низкочастотные

Низкочастотные ИГ предназначаются для испытаний усилителей НЧ и видеочастот, градуировки вольтметров переменного тока, питания измерительных схем, регулировок модуляторов радиопередающих устройств и т. п. Они вырабатывают обычно колебания синусоидаль-ной формы.

На рис. 5-1 дана структурная схема низкочастотных ИГ.

Задающий генератор (ЗГ) во многом определяет характеристики измерительного генератора, и его тип часто даст дополнительное название всему прибору, например RС-генератор, LC-генератор, генератор на биениях.

Усилители, применяемые в низкочастотных измерительных генера-торах, обеспечивают развязку задающего генератора от нагрузки, усиливают напряжение (мощность) генерируемых колебаний и, наконец, согласуют выход Задающего генератора с выходным устройством прибора. Для усиления генерируемых колебаний без внесения существенных нелинейных искажений усилители охватывают отрицательными обратными связями и, как правило, применяют двухтактный выход. Регулятор коэффициента усиления (плавный регулятор выходного напряжения) обычно ставят на входе усилителя.

Выходные устройства генераторов предназначаются для регулировки выходного напряжения (мощности) и согласования сопротивления нагрузки с выходным каскадом усилителя. Выполнение последнего весьма важно главным образом для получения максимальной выходной мощности усилителя и минимальных нелинейных искажений.

Выходное устройство может состоять из согласующих трансфор-маторов (одного или нескольких — в зависимости от диапазона частот генератора) и ступенчатых аттенюаторов (ослабителей напряжения или мощности).

Согласующие трансформаторы имеют секционированные вторичные обмотки, что позволяет при определенных значениях внешней нагрузки Rh трансформировать в первичную обмотку трансформаторов всегда одно и то же сопротивление (рис. 5-2).

Обычно согласующий трансформатор рассчитывают для работы на одну из следующих нагрузок: 50, 200, 600 или 5000 Ом. При работе на нагрузку, сопротивление которой много больше 5000 Ом, необходимо включать так называемую внутреннюю нагрузку.

Схема выходного устройства большинства низкочастотных генера-торов имеет симметричный выход, который при необходимости легко может быть преобразован в несимметричный (рис. 5-2), если один из выводов трансформатора, например 2, соединить с корпусом гене ратора.

Контрольные приборы предназначаются для контроля параметров выходного сигнала, а иногда и для измерения токов электронных ламп мощных выходных каскадов усилителей. Наиболее часто — это выпрямительные вольтметры, шкалы которых градуированы в среднеквадратичных значениях синусоидального напряжения.

Ниже рассматриваются некоторые типы низкочастотных генерато-ров с различными по принципу действия задающими генераторами.

а) LC-генераторы

В этих ИГ задающий генератор выполняется по известным схемам самовозбуждения генераторов с резонансными контурами, образован-ными индуктивностью L и емкостью С.

Частота колебаний определяется параметрами контура:

Таким образом, изменять частоту генерируемых колебаний можно путем изменения величины индуктивности или ёмкости контура. Основным недостатком низкочастотных LC-генераторов является громоздкость колебательного контура и сложность его перестройки. Так, например, для генерирования колебаний с частотой f = 20 Гц при максимальной емкости переменного конденсатора контура С = 1000 пФ необходима индуктивность L = 63000 Гц.

По этой причине LC-генераторы низких частот широкого распро-странения не получили.

б) Генераторы на биениях

Основу таких приборов составляют два высокочастотных генера-тора, один из которых имеет постоянную частоту а частота второгоf₂ плавно изменяется в некоторых пределах. Напряжения этих частот через буферные каскады ¹ поступают на смеситель (рис. 5-3). На выходе смесителя образуются комбинационные частоты (типа ±mf₂ ±nf1, где m и n — целые числа) и в том числе частота f = f₂ — f_1. Значения частот f1 и f2 выбирают такими (~ 200 кГц), чтобы разностная частота лежала в диапазоне низких частот. Через фильтр нижних частот проходит лишь разностная частота f, напряжение которой усиливается в усилителе низкой частоты и подается на выход.

К достоинствам генераторов на биениях можно отнести возмож-ность перестройки низкой частоты во всем диапазоне без переключения пределов и сравнительно простая электронная перестройка частоты для автоматического снятия амплитудно-частотных характеристик, но схема генератора на биениях сложна и относительная нестабильность низкой частоты, особенно на нижнем краю диапазона, велика по сравнению с генераторами других типов. Поэтому эта схема применяется сравнительно редко. Примерами промышленных приборов подобного типа могут служить генераторы ГЗ-18, ГЗ-5, ГЗ-104.

¹ Буферные каскады (усилители, катодные или эмиттерные повто-рители) здесь необходимы для предупреждения явления «захватывания частоты», суть которого заключается в том, что при достаточно сильной связи между двумя генераторами, настроенными на близкие частоты,частота менее мощного генератора может скачком измениться до частоты более мощного.

в) RС-генераторы

Наибольшее распространение среди низкочастотных генераторов получили из-за своей простоты и надежности генераторы RС-типа.

Их задающий генератор представляет собой двухкаскадный усили-тель на резисторах с положительной обратной связью (рис. 5-4). Положительная обратная связь осуществляется через фазирующий делитель,образованный резисторами и конденсаторами R₁, С1, R₂, С₂ и предназначенный для обеспечения условий самовозбуждения лишь на одной частоте. Если исключить фазирующий делитель, то фазовые условия самовозбуждения будут выполняться для большого спектра частот и генератор, собранный по такой схеме будет генерировать несинусоидальные колебания.

Для самовозбуждения необходимо выполнение условия

Условие (5-1) определяет:

1) условие баланса амплитуд

K·β=1;

2) условие баланса фаз

φ+𝛙 = 2𝛑n, где n=1, 2 ...

Так как схема генератора обычно строится на основе двух каскадного усилителя на резисторах, для которого φ = 2𝛑*. то для выполнения условия баланса фаз угол ф должен быть равен нулю.

¹ Образуется схема мультивибратора.

* Разделительные цепи усилителя вносят малые фазовые сдвиги, и поэтому при анализе пренебрегаем ими.

На основании рис. 5-4

и на этой частоте β = ¹/₃. Поэтому баланс амплитуд выполняется при К = 3. На практике применяют усилитель с большим коэффициентом усиления К', но вводят дополнительную отрицательную обратную связь,снижающую общий коэффициент усиления К до трех.

При этом цепь отрицательной обратной связи выполняет и другую задачу — автоматически поддерживает уровень выходного напряже-ния задающего генератора неизменным (при изменении, например, питающего генератор напряжения).

Цепь отрицательной обратной связи (рис. 5-4) представляет собой делитель напряжения, образуемый обычно инерционной нелинейностью (термистором Rr,) и резистором R_K, включаемым в цепь катода лампы Л1.

Убедимся в том, что для автоматического поддержания заданного уровня выходного напряжения в цепь отрицательной обратной связи действительно необходимо ввести инерционную нелинейность, и определим необходимый характер изменения этой нелинейности.

Очевидно, что U_вых = K'U_C._K, где К' — коэффициент усиления при разомкнутых цепях обратных связей; U_C._K = U_вых1 — U_к — напряжение на участке сетка — катод лампы Л1

Так как U_Bх = β U_вых1 и U_K = yU_aux, где у — коэффициент отрица-тельной обратной связи, легко получить условие установившихся колебаний:

K'(β-Y)=1/

Так как β — константа на частоте генерации, то из (5-2) следует,что при увеличении по какой-либо причине коэффициента усиления К'коэффициент отрицательной обратной связи y также должен увеличиваться, и наоборот. Именно так и происходит в рассматриваемой схеме, коэффициент отрицательной обратной связи которой определяется выражением:

Если выходное напряжение возрастает, то увеличивается ток в цепи отрицательной обратной связи, а это приводит к уменьшению сопротивления термистора (см. § 3-4). В соответствии с выражением (5-3) увеличивается коэффициент обратной связи у и выходное напряжение приближается к своему номинальному значению. Когда же выходное напряжение уменьшается, ток через термистор также уменьшается и его сопротивление возрастает. Коэффициент обратной связи уменьшается, из-за этого коэффициент усиления К' возрастает, и опять напряжение на выходе приближается к номинальному значению.

Величину отрицательной обратной связи и исходный режим терми-стора путем изменения сопротивлений резисторов R_p и R_K выбирают так,чтобы входные напряжения ламп усилителя u_вxl и и_вх2 не выходили за пределы линейных участков анодно-сеточных характеристик. Этим обеспечивается генерирование синусоидальных

колебаний с малыми нелинейными искажениями.

Иногда, в качестве нелинейного элемента в цепи отрицательной обратной связи применяют небольшие лампочки накаливания, сопро-тивление нити которых, наоборот, возрастает с увеличением тока.В этом случае для получения нужной регулировочной характеристики цепи отрицательной обратной связи лампочки накаливания ставят вместо резистора R_K, а термистор заменяют обычным резистором.

Частоту генератора -перестраивают либо изменением емкостей C1и С₂, либо изменением сопротивлений резисторов R1 и R₂.

В практике приборостроения иногда используют задающие генера-торы, выполненные на базе однокаскадного усилителя на лампе или транзисторе. На рис. 5-5 представлена схема транзисторного однокаскадного задающего R С-генератора. Так как однокаскадный усилитель даст сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями в 180°, то для выполнения фазовых условий самовозбуждения в цепь положительной обратной связи нужно включить фазосдвигающую цепочку, обеспечивающую дополнительный сдвиг на 180°. Такие цепочки выполняются на резисторах и конденсаторах. При выполнении условий С₁ = С₂ = С₃ = С и R1 = R₂ = R ₃ = R генерируемая частота определяется формулой

а коэффициент усиления каскада должен быть не менее 29.

Достоинством рассмотренного ЗГ является его простота, а недостатками — худшая форма генерируемых колебании и отсутствие автоматической регулировки уровня выходного напряжения.

Основные характеристики некоторых низкочастотных генераторов даны в табл. 5-1.

• Установленное по шкале генератора значение частоты.