Метрология и электрорадиоизмерения / Вспомогательный теоретический материал / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

ми резисторами. Для стабилизации выходной амплитуды в задающих RC- генераторах применяют нелинейную отрицательную обратную связь с терморезистором.

На выходе НЧ генератора в ряде случаев предусматривают согласующий трансформатор с переключаемым коэффициентом трансформации. Он позволяет установить разные значения выходного сопротивления генератора (например, 5, 50, 600 Ом) и реализовать дифференциальный выход (симметричный относительно нулевого провода). Такой сигнал используют при исследовании двухтактных схем усилителей, устройств с дифференциальным входом и пр. Аттенюатор вместе с согласующим трансформатором образуют выходное устройство генератора НЧ.

К основным эксплуатационным параметрам генераторов гармонических сигналов относят диапазон перестройки по частоте и пределы регулирования среднеквадратического значения выходного напряжения, значение выходного сопротивления, а также диапазон установки параметров модуляции.

Метрологическими параметрами являются пределы допускаемой погрешности: установки частоты, установки уровня сигнала и параметров модуляции. Погрешность установки частоты определяется неточностью градуировки, временной нестабильностью задающего генератора, дискретностью шкалы. Погрешность установки выходного напряжения определяется точностью контроля опорного уровня и погрешностью градуировки аттенюатора. Паспортная точность установки выходного напряжения гарантируется только при работе измерительного генератора на активную нагрузку, сопротивление которой равно заданному выходному сопротивлению генератора Rвых. При работе с несогласованной

нагрузкой (Rн ≠Rвых) появляется систематическая погрешность установки напряжения, равная

Заметим, что при подключении к генератору устройства с большим сопротивлением (например, вольтметра, осциллографа) напряжение на выходном разъеме будет практически в два раза выше установленного по шкале значения. Для таких случаев в генераторах предусматривают возможность подключения внутренней согласованной нагрузки.

Неидеальность формы синусоидального сигнала на выходе измерительного генератора проявляется в наличии высших гармонических составляющих. Допустимый их уровень нормируется коэффициентом гармоник либо коэффициентом нелинейных искажений.

Генераторы импульсов общего применения предназначены, как правило, для получения видеоимпульсов прямоугольной формы. Они используются при исследовании импульсных и цифровых устройств, изме-

283

рении переходных характеристик и пр. Структурная схема типового импульсного генератора приведена на рис. 12.6.

Синхро-импульсы

Рис. 12.6. Обобщенная структурная схема импульсного генератора

Частота повторения импульсов генератора устанавливается внутренним задающим автогенератором. Чаще всего используют релаксационный генератор (мультивибратор), вырабатывающий кратковременные импульсы. Частота повторения их калибрована и устанавливается с помощью дискретного и плавного регуляторов. Устройство управления позволяет выбрать режим запуска генератора: периодический – от внутреннего генератора, внешний – от сигналов, подаваемых на вход прибора. Предусматривают также разовый запуск при нажатии кнопки. В устройстве управления также вырабатываются синхроимпульсы, совпадающие по времени с импульсами задающего генератора или сигналами внешнего запуска. Их используют для синхронизации и запуска внешних устройств (осциллографа, частотомера и пр.).

С устройства управления импульсы поступают на блок временной задержки. Этот блок обеспечивает регулируемый калиброванный временной сдвиг основных импульсов генератор относительно синхроимпульсов устройства управления. Его удобно использовать совместно с осциллографом, работающим в режиме внешней синхронизации. Регулировкой задержки можно перемещать импульс по экрану, обеспечивая удобный вид осциллограммы. Калиброванная задержка генератора позволяет на экране осциллографа измерять временные интервалы методом замещения.

Задержанные импульсы подают на блок формирования основных импульсов (одновибратор). Он вырабатывает прямоугольные импульсы с заданной длительностью. Далее импульс усиливается и поступает на блок контроля и выходной аттенюатор. Обычно в генераторах контролируют точность установки амплитуды импульсов, для чего используют широкополосный импульсный вольтметр.

284

К эксплуатационным параметрам импульсного генератора относят диапазоны регулировки частоты повторения, длительности и амплитуды импульсов, диапазон установки времени их задержки. Метрологическими параметрами являются пределы допускаемой погрешности установки этих параметров и точность воспроизведения формы импульса.

Осциллограмма реального выходного импульса измерительного генератора представлена на рис. 12.7.

,%

1

0.9

и

0.5

0.1

0

Рис. 12.7. Осциллограмма реального импульса с выбросами

Параметры реального импульса характеризуют степень близости его формы к идеальной прямоугольной. Амплитуду импульса Um отсчиты-

вают по усредненной вершине (без учета выброса δ), длительность импульса τ определяют по уровню 0,5Um. Длительности фронта τф и среза

τср показывают точность воспроизведения прямоугольной формы импульса. Их отсчитывают по уровням 0,1Um и 0,9Um. Принято считать импульс прямоугольным, если τф, τср < 0,3τ.

Для тестирования широкополосных устройств (например, для калибровки быстродействующих осциллографов) необходимы генераторы импульсов с субнаносекундным временем нарастания (длительность фронта

τф – единицы и десятки пикосекунд). В таких приборах в качестве фор-

мирователя импульсов применяют схемы на туннельных диодах и лавинных транзисторах, используют обострители импульсов на основе диодов с накоплением заряда. Новые физические принципы оптоэлектронных импульсных устройств позволяют разрабатывать серийные устройства с пикосекундной длительностью фронта генерируемых импульсов.

285

Функциональные генераторы – это источники сигналов нескольких стандартных форм (синус, меандр, треугольник и др.) одинаковой частоты. Частота сигналов функционального измерительного генератора может регулироваться в широком диапазоне – от долей Гц до единиц МГц и ограничена сверху частотными свойствами применяемых операционных усилителей. От рассмотренных выше генераторов они отличатся принципом действия. Для получения напряжения разных форм используют аналоговые интеграторы, охваченные внешней цепью ПОС.

На рис. 12.8 представлена упрощенная схема задающего блока функционального генератора с одним интегратором и релейным элементом – двухсторонним симметричным ограничителем (триггер Шмидта).

и2

Рис. 12.8. Структурная схема задающего блока функционального генератора

Аналоговый интегратор – это функциональный преобразователь на операционном усилителе, охваченным частотозависимой отрицательной обратной связью, реализуемой RC-цепочкой. При подаче на его вход постоянного напряжения выходное напряжение интегратора будет линейно возрастать или убывать (в зависимости от полярности входного сигнала). Если на входе сформировать последовательность знакопеременных импульсов u1 одинаковой амплитуды U1 = U2, то на выходе получим тре-

угольный сигнал u2 (рис. 12.9).

Этот сигнал подают на релейный элемент, который представляет собой двухсторонний ограничитель, имеющий гистерезисную передаточную характеристику. Он преобразует треугольное напряжение в меандр u3, который управляет ключом на входе интегратора, замыкая тем самым

цепь ПОС генератора. Поясним работу генератора более подробно. Когда ключ подключает на вход интегратора положительное напряжение U1,

286

Это приводит к тому, что выходное напряжение релейного элемента имеет вид импульсов со скважностью, отличной от двух. Таким образом, напряжениями U1 иU2 можно управлять как частотой выходного сигнала,

так и длительностью (скважностью). Эти напряжения получают от образцового источника, их величину регулируют потенциометрическим делителем. В режиме частотной модуляции к этому напряжению добавляют модулирующий сигнал. Таким образом, важным преимуществом функциональных генераторов является возможность управления частотой с помощью напряжения. Это позволяет использовать такие генераторы в измерителях АЧХ и в приборах с частотной модуляцией. Для переключения диапазонов частот в функциональных генераторах используют коммутацию RC элементов интегратора.

Прямоугольные u3 и треугольные u2 импульсы образуются на выходах

релейного элемента и интегратора автогенератора. Для получения синусоидального сигнала u4 используют дополнительный нелинейный преобразователь треугольного напряжения, построенный на полевых транзи-

287

сторах или на операционном усилителе с нелинейной отрицательной обратной связью. Остальные блоки функционального генератора не отличаются от используемых в RC и LC генераторах. Это буферный усилитель и модулятор АМ, выходной аттенюатор, вольтметр для контроля опорного уровня сигнала. Иногда в состав функциональных генераторов включают электронно–счетный частотомер, с помощью которого создают цифровую шкалу настройки прибора. При этом не требуется градуировка ручек управления частотой и повышается точность ее установки.

Современные функциональные генераторы строят на специализированных интегральных схемах, позволяющих получить достаточно высокие технические характеристики приборов и снизить их цену. Тем не менее, стабильность частоты этих приборов уступает традиционным генераторам НЧ и ВЧ, частотный диапазон таких приборов редко превышает нескольких МГц, коэффициент нелинейных искажений выше, чем у сигнала RC-генератора.

Генераторы шумовых сигналов (или генераторы шума – ГШ) выраба-

тывают случайные сигналы с нормированными статистическими параметрами. Такие сигналы имеют ряд полезных свойств:

•выходное напряжение ГШ близко по структуре к реальным сигналам исследуемых радиоэлектронных устройствах;

•спектральная характеристика шумового сигнала может быть равномерна в широком диапазоне частот;

•сигнал ГШ позволяет оценить влияние на исследуемое устройство внутренних и внешних случайных помех.

Генераторы шума применяются в качестве источников флуктуационных помех при исследовании предельной чувствительности радиоприемных и усилительных устройств, определения помехоустойчивости систем автоматического регулирования и телеуправления, а также в качестве источника калиброванного шума при измерении шумовых параметров радиоэлектронных устройств. Генераторы шума применяют также в качестве калиброванных источников мощности при измерении напряженности поля, в качестве имитаторов полного сигнала многоканальной аппаратуры связи, для измерения частотных характеристик радиоустройств с помощью анализатора спектра.

Основным требованием к генераторам шума является равномерность спектрального состава шумового сигнала в широкой полосе частот. Такой измерительный сигнал позволяет исследовать устройство одновременно во всем диапазоне рабочих частот. По диапазону генерируемых частот ГШ делятся на низкочастотные (20 Гц– 20 кГц и 15 Гц – 6.5 МГц); высокочастотные (1–600 МГц); сверхвысокочастотные(500 МГц– 12 ГГц).

Структурная схема генератора шума похожа на схему НЧ-генератора

(рис. 12.10).

288

Основные типы первичных источников шума:

Нагретый проволочный резистор – самый широкополосный источник шума. Используют термостатированные проволочные катушки из вольфрама, а также болометрические датчики мощности (вакуумный стеклянный баллон с тонкой вольфрамовой нитью). Такие источники обладают широким спектром шума с равномерной частотной характеристикой, однако уровень теплового шума чрезвычайно мал. Так, спектральная плотность мощности шума (СПМШ) резистора на согласованной нагрузке при комнатной температуре T0 = 290°K равна S(f) = kT0 = 4·10–21 Вт/Гц

(–174 дБм/Гц), напряжение теплового шума в полосе 1 Гц на стандартном

резисторе 50 Ом равно 9·10–4 мкВ (или –61 дБмкВ, –168 дБм). Отсюда следует, что среднеквадратическое значение напряжения теплового шума при комнатной температуре в полосе частот 100 МГц составляет всего

UШ = 4kT0 R f ≈ 9 мкВ. Чтобы увеличить мощность теплового шума,

требуется нагреть резистор до высоких температур, что нереально. Малый уровень выходного сигнала ограничивает применение тепловых генераторов шума в качестве образцовых мер шума для передачи единицы СПМШ рабочим приборам, а также для измерения шумовых параметров высокочувствительных малошумящих радиоустройств.

Величина теплового шума при нормальной температуре часто используется как единица СПМШ различных источников шума. Абсолютную

температуру T0=290°К принято считать опорной величиной источников

шума. Эта величина соответствует 16.8° по Цельсию и 62.3° по Фаренгейту. Часто используют другой параметр источника шума – «эквивалентная шумовая температура Тш». Она равна температуре теплового источника

шума, мощность которого равна мощности источника другого типа. Отно-

Excess Noise Ratio) и нормируется производителями источников шума в дБ. Обычно используются источники шума с номинальными значениями ENR 6, 15, 30 дБ. Низкие значения ENR уменьшают погрешность, обусловленную нелинейностью измерителя шума, более высокие ENR применяют для исследования устройств сбольшим коэффициентом шума.

Вакуумные шумовые диоды. В них для получения шумового напряжения используется явление дробового эффекта – неравномерного во времени вылета электронов с поверхности накаленного катода. Если диод работает в режиме насыщения, его шумовая мощность известна. Среднеквадратическое значение шумового тока диода в полосе частот определя-

ется выражением iш = 2eIs f , где е – заряд электрона, Is – ток насыще-

ния диода, А; ∆f – полоса частот, Гц. СПМШ сигнала вакуумного диода регулируется изменением тока накала в пределах (12…50) kT0.

290

В реальном шумовом диоде ВЧ граница генерируемого спектра лежит обычно в пределах 300–600 МГц, где еще не сказывается влияние шунтирующей емкости анод-катод, а также емкости между выводами. При конструировании вакуумных шумовых диодов стараются уменьшить межэлектродные емкости. Выводы электродов делают минимально короткими и разносят их возможно дальше друг от друга. Подобные меры позволяют снизить значение шунтирующей емкости до нескольких десятых долей пикофарады. НЧ граница для шумового диода определяется флик- кер-эффектом (повышением уровня шума на низких частотах) и находится в районе 1000 герц для диода с торированным вольфрамовым катодом и еще ниже для диода с чисто вольфрамовым катодом.

Полупроводниковые шумовые диоды. Полупроводниковый шумовой диод – это стабилитрон, который работает в начальном участке лавинного пробоя при малом обратном токе. В этом режиме процесс ударной ионизации оказывается неустойчивым. Ионизация возникает, срывается, возникает вновь в тех местах перехода, где в данный момент возникает достаточная напряженность электрического поля. Результатом генерации новых носителей заряда являются шумы с широким спектром частот (до нескольких МГц).

Для генерации шума в СВЧ диапазоне используют генераторы на ла- винно-пролетном диоде (ЛПД). Основным источником шумового сигнала в ЛПД являются дробовые флуктуации тока насыщения диода. Генераторы шума на ЛПД перекрывают дециметровый и сантиметровый диапазоны волн. Они могут работать как в режиме непрерывных колебаний, так и в режиме импульсной модуляции при длительности импульсов от нескольких долей микросекунд и более. Например, диодные источники шума компании Agilent (серия SNS) обеспечивают ENR от 4.5 до 17 дБ в частотном диапазоне от 10 МГц до 26 ГГц.

Газоразрядные источники шума нашли широкое применение в качестве первичного источника шума в СВЧ диапазоне (в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн). Газоразрядный шумовой генератор выполнен в виде стеклянной трубки, наполненной инертным газом (аргоном или неоном). На одном конце трубки расположен прямонакальный или подогреваемый катод, на противоположном – анод. Свойство газоразрядных трубок генерировать шумы обусловлено колебаниями электронов в плазме газового разряда. Газоразрядные шумовые трубки (ГШТ) имеют высокую равномерность спектральной плотности мощности шума в широкой полосе частот, стабильный и относительно высокий уровень мощности (порядка 60…80 kT0), просты в эксплуатации, устой-

чивы к жестким воздействиям внешней среды и обладают достаточно высокой эксплуатационной надежностью.

Для практического использования шумового излучения ГШТ помещают в специальные генераторные секции. В зависимости от диапазона

291

частот и типа трубки могут быть использованы генераторные секции, выполненные на волноводе, коаксиальной или полосковой линии. Волноводные шумовые генераторы представляют собой отрезок волновода, в центре широкой стенки которого под малым углом (7...15°) помещается ГШТ. Наклонное положение трубки в волноводе обеспечивает при разряде равномерное внесение потерь на достаточной длине линии, благодаря чему достигается удовлетворительное согласование ГШТ с линией передачи в широком диапазоне частот.

В длинноволновой части сантиметровых волн применяют коаксиальные или полосковые генераторы шума. В коаксиальных генераторах шума ГШТ помещают внутри ленточной спирали, которая является центральным проводником коаксиальной линии. Внешним проводником служит цилиндрическая поверхность корпуса линии. Полосковые генераторы шума представляют собой симметричную полосковую линию, вдоль оси которой помещается газоразрядная шумовая трубка.

Вернемся к схеме генератора шума. Сигнал первичного источника подают на измерительные преобразователи ГШ – усилитель, набор фильтров для регулировки ширины спектра и его формы. Усилитель должен иметь широкую полосу пропускания и большой динамический диапазон. Его амплитудная характеристика должна быть линейной в широких пределах измерения входного сигнала. Это требование объясняется значительным пик-фактором шумового сигнала, то есть большим отношением пикового значения напряжения к среднеквадратическому. При необходимости в усилителе предусматривают функциональные блоки для изменения закона распределения и стабилизации мощности шума.

Встроенные фильтры позволяют получить различную форму спектральной плотности на выходе ГШ. Наиболее часто используют «белый»

шум (White Noise или «f 0») с равномерной частотной характеристикой в полосе. На низких частотах часто используют «розовый» шум (Pink Noise

или «f –1») или фликкер-шум. Последний имеет спадающую зависимость уровня СПМШ по закону1/f (–3дБ/октава) (рис. 12.12).

Для получения равномерного спектра шума в области низких частот в состав генератора шума включают преобразователь частоты, который позволяет сместить спектр ВЧ шумовогосигнала в низкочастотную область.

Основной элемент выходного блока ГШ – широкополосный калиброванный аттенюатор, с помощью которого регулируют выходной уровень сигнала относительно опорного уровня. Его контролируют вольтметром среднеквадратического значения или измерителем средней мощности шума (ваттметром).

В качестве примера рассмотрим отечественный низкочастотный генератор шума Г2–37, работающий в диапазоне частот (15 Гц – 6.5 МГц). Источник шума – полупроводниковый диод 2Г401Б – генерирует сигнал с равномерным спектром (неравномерность не превышает 2.2 дБ) в

292