4.4. Измерительные генераторы

Для решения измерительных задач необходимы эталонные источники электрических колебаний, обладающие высокой точностью установ­ки и стабильностью параметров выходного напряжения, а также возможностью их перестройки в широком диапазоне.

Такие источники, предназначенные для измерения, удовлетворяющие отмеченным требованиям, принято называть измерительными генераторами.

Наиболее общий способ использования генераторов для решения измерительных задач заключается в том, что об измеряемой величине судят по реакции цепи (устройства) на входное напряжение со строго определенными параметрами. Идейно так определяются частотные и переходные характеристики цепей, чувствительность радиоприемных устройств, быстродействие переключающих схем и т.д.

Различают измерительные генераторы гармонических колебаний, генераторы напряжений сложной формы и генераторы случайных напряжений (шума).

В зависимости от диапазона перестраиваемых частот измерительные генераторы гармонических колебаний делятся на генераторы звуковых и ультразвуковых частот, высоких и сверхвысоких частот. К первой группе генераторов звуковых и ультразвуковых частот относятся также генераторы видеочастот и инфразвуковых (инфранизких) частот. Отдельную группу измерительных генераторов образуют так называемые синтезаторы частот.

Обобщенная структурная схема генераторов НЧ(рис. 4.5) включает задающий генератор, усилитель мощности, выходное устройство и электронный вольтметр.

Рис. 4.5. Обобщенная структурная схема измерительных генераторов звуковой и ультразвуковой частоты

Задающий генератор -- первичный источник гармонических колебаний. Схема задающего генератора должна обеспечить широкие пределы и высокую точность установки частоты, высокую стабильность параметров гармонических колебаний и малый коэффициент нелинейных искажений.

В задающих генераторах используются три метода генерирования:

прямой, биений и электронного моделирования.

Усилитель мощности (см. рис. 4.5) является составной частью измерительных генераторов различного типа и служит для согласования относительно высокоомного выхода задающего генератора с низкоомным входным сопротивлением последующих аттенюаторов. Предусмотренная в схеме усилителя регулировка коэффициента усиления позволяет по показаниям вольтметра, установить на входе аттенюаторов требуемый уровень напряжения.

Выходное устройство осуществляет контролируемое ослабление напряжения, поступающего от усилителя, а также обеспечивает согласование измерительного генератора с внешней нагрузкой. Выходное устройство состоит из ступенчатых аттенюаторов, проградуированных в децибелах, и трансформатора сопротивлений. Напряжение, поступающее на аттенюаторы, контролируют с помощью вольтметра. Отношение максимального уровня выходного напряжения к минимальному обычно составляет 10⁵ 10⁶.Выходное напряжение генератора определяют путем расчета по показаниям вольтметраUи введенному ослаблению Д (дБ):

Измерительные генераторы высоких и сверхвысоких частотделятся на генераторы стандартного сигнала (ГСС) и генераторы сигнала (ГС). К первой группе относятся генераторы, у которых калибровка параметров выходного напряжения выполняется с повышенной точностью и предусматривается возможность амплитудной, а иногда и частотной модуляции (рис.4.6). Наличие органов регулировки со шкалами и встроенных измерительных приборов позволяет с высокой точностью устанавливать частоту, уровень модуляции выходного напряжения. Основные элементы ГСС: задающий генератор, усилитель и выходное устройство.

Рис. 4.6. Структурная схема генераторов стандартного сигнала высокой частоты

Задающий генератор должен обеспечить хорошую синусоидальную форму колебаний, а также широкий диапазон перестройки и высокую стабильность частоты. Используется как прямой метод генерации, так и метод биений.

Задающие генераторы, основанные на прямом методе, собираются по типовым схемам радиочастотных генераторов (трехточечной с индуктивной или емкостной связью, электронной и трансформаторной связями и т.д.). Высокая стабильность частоты достигается за счет использования стабилизированных источников питания, слабой связи генератора с нагрузкой и применения колебательных устройств с малым температурным коэффициентом частоты. Для уменьшения влияния на частоту реактивностей элементов электронных приборов целесообразно выбирать достаточно большую емкость конденсатора, входящего в контур.

Задающие генераторы располагают органами регулировки со шкалами, обеспечивающими перестройку частоты. В генераторах, использующих прямой метод, весь диапазон рабочих частот разбивается на ряд поддиапазонов. Переход от одного поддиапазона к другому достигается переключением контурных катушек индуктивности. Плавная перестройка частоты обеспечивается с помощью проградуированного конденсатора переменной емкости.

Усилитель кроме основного назначения выполняет функции буферного каскада, способствующего повышению стабильности частоты гармонических колебаний.

Усилитель, как правило, собирается по резонансной схеме так, что его перестройка происходит одновременно с перестройкой частоты задающего генератора. При этом усиление колебаний основной частоты сопровождается ослаблением паразитных колебаний. Коэффициент усиления допускает плавную регулировку.

Выходное устройство представляет собой систему калиброванных аттенюаторов, обеспечивающих широкое изменение уровня выходного напряжения. О величине малых уровней напряжения судят по показаниям вольтметра, включенного на выходе аттенюаторов, и известного коэффициента ослабления, вносимого ими.

Измерительные генераторы сверхвысоких частотимеют схемные и конструктивные особенности. Они не имеют усилителей, и модуляция колебаний СВЧ осуществляется непосредственно в задающем генераторе. Измерительные генераторы СВЧ также принято делить на ГС и ГСС. Выходная мощность ГСдостигает нескольких ватт, а калиброванная мощность ГСС может изменяться в пределах от нескольких микроватт и до 10^-1410^-16Вт. Учитывая конструктивные особенности, измерительные генераторы СВЧ целесообразно разбить на две группы. К первой относятся генераторы метровых и дециметровых волн, ко второй --сантиметровых и миллиметровых.

Особенностью генераторов метровых и дециметровых волн явля­ется применение емкостных аттенюаторов вместо резисторных. Поскольку коэффициент ослабления подобных аттенюаторов в определенной степени зависит от частоты, то к ним придаются специальные градуировочные графики или таблицы. Для измерения частоты на выходе генераторов СВЧ используют резонансный метод с коаксиальными и объёмными резонаторами. Измерение длины волны производится настройкой в резонанс на два соседних положения резонанса с помощью микрометренного механизма. Разность отчётов по шкале определяет длину полуволны. Погрешность измерения составляет . Источниками погрешностей резонансного метода в диапазоне СВЧ будут: погрешность градуировки, температурная погрешность, погрешность микрометренного механизма и погрешность настройки в резонанс. Для точной настройки в резонанс применяют метод «вилки», с определением частоты слева и справа от вершины резонансной кривой для одного и того же уровня напряжений. Резонатор включают в линию передачи с индикацией резонанса по минимальному показанию индикатора.

Рассмотрим структурную схему генератора сантиметрового диапазона (рис. 4.7). В качестве первичного источника колебаний СВЧ выбирают клистронный генератор. Грубая перестройка частоты колебаний достигается механической перестройкой объемного резонатора клистрона, а тонкая --изменением напряжения на его отражателе. В некоторых клистронных генераторах одновременно с механической перестройкой резонатора

Рис. 4.7. Структурная схема ГСС сантиметрового диапазона

автоматически изменяется и напряжение на отражателе. Это облегчает перестройку и обеспечивает работу клистрона вблизи оптимального режима. Установку частоты колебаний осуществляют по показаниям волнометра. В типовых ГСС используют волнометры с объемными резонаторами.

Мощность колебаний контролируют термисторными измерителями малой мощности. При согласовании сопротивлений в измерителе, показания измерителя будут соответствовать мощности СВЧ, поступающей на вход калиброванного аттенюатора. В качестве последнего в генераторах сантиметрового диапазона используют предельные, поглощающие или ферритовые аттенюаторы. Шкалы аттенюаторов градуируют в децибелах. Выходная мощность может оцениваться как в абсолютных (Ватт, милливатт, микроватт), так и относительных единицах (децибел) по отношению к выбранному уровню мощности (1Вт,1мВт).

Для импульсной модуляции колебаний СВЧ соответствующее импульсное напряжение подают на отражатель клистрона. Величину напряжения выбирают так, чтобы на время действия импульса клистрон находился в режиме оптимальной генерации. Напряжение на отражателе, действующее в промежутках между импульсами, выбрано таким, чтобы клистрон не генерировал. Модуляция колебаний СВЧ может осуществляться от специального генератора импульсного напряжения (модулятора) или от соответствующего внешнего источника импульсов.

Измерительными генераторами импульсных сигналовназываются генераторы, формирующие периодические последовательности импульсов, импульсно-кодовые группы и одиночные импульсы. От импульсных генераторов общего назначения они отличаются широкими пределами изменения и высокой точностью установки параметров выходного напряжения. Измерительные генераторы классифицируют по форме, длительности импульсов и точности калибровки их параметров.

Основными характеристиками генераторов являются пределы изменения, точность установки и стабильность параметров формируемого напряжения, а также величина выходного сопротивления. Для генераторов прямоугольных импульсов существенным является время нарастания и спада напряжения, а для генераторов пилообразного напряжения --степень его линейности. Выбор типа генератора практически сводится к проверке соответствия его характеристик требованиям, определяемым особенностями измерительной задачи. Так, например, для снятия переходных характеристик цепи необходим такой генератор, собственное время нарастания выходного напряжения которого в десять и более раз меньше ожидаемой длительности переходного процесса. Соответственно при испытании магнитных элементов памяти следует применять генераторы, способные обеспечить требуемую величину тока в обмотках намагничивания. На рис. 4.8 показана обобщенная структурная схема генератора импульсных сигналов. Она состоит из задающего генератора, схем внешнего запуска и вывода импульсов синхронизации, схемы временной задержки, формирующего, выходного и измерительного устройств.

Рис. 4.8. Структурная схема генератора импульсных сигналов

Задающий генератор создает первичные импульсы, определяющие частоту выходного напряжения измерительного генератора. Его схема должна обеспечивать изменение частоты в пределах от десятков Гц до сотен кГц, а также возможность работы прибора в режиме внешнего запуска. Практическое применение находят блокинг-генераторы и RC- генераторы гармонических колебаний совместно со схемами формирования импульсов. В первом случае внешний запуск прибора обеспечивают путем перевода блокинг-генератора в ждущий режим, а во втором --посредством отключенияRC- генератора. ПреимуществомRC- генераторов является большая стабильность частоты первичных импульсов.

Схема внешнего запуска обеспечивает возможность работы прибора в режиме синхронизации от внешних источников напряжения. Она обычно содержит усилитель с катодным (эмиттерным) повторителем и переключатель полярности внешних импульсов.

Схема вывода синхронизирующих импульсов позволяет синхронизировать работу внешних устройств и приборов (например, осциллографа) с работой измерительного генератора.

Схема временной задержки обеспечивает регулируемую временную задержку выходного напряжения измерительного генератора относительно первичных импульсов или импульсов синхронизации. Схема, как правило, содержит секционированную линию и электронную схему временной задержки (например, фантастрон). Первая --позволяет вводить малые (до единиц микросекунд) калиброванные задержки и малые дискретные изменения общей временной задержки, вторая --плавно изменяемые задержки в пределах от единиц микросекунд до сотен миллисекунд.

Формирующее устройство является наиболее сложным и ответственным блоком генераторов импульсных сигналов. Оно работает в ждущем режиме, запускается первичными импульсами и создает напряжение требуемой формы. Формирующие устройства генераторов могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. Более высокую точность установки длительности прямоугольных импульсов обеспечивают формирующие устройства на цифровых элементах.

Выходное устройство служит для усиления импульсных сигналов по мощности, а также для изменения их амплитуды и полярности. Оно состоит из катодного (эмиттерного) повторителя, фазоинвертора и делителей напряжения.

Измерительное устройство генераторов включает измеритель амплитуды импульсов выходного напряжения. Для этой цели используют импульсные электронные вольтметры или специальные схемы сравнения.

Генераторами случайного напряженияназывают измерительные генераторы, выходное напряжение которых представляет собой реализацию случайного процесса с контролируемыми статистическими характеристиками (шум).

Случайное напряжение описывают величиной эффективного (среднеквадратического) значения, функцией распределения вероятностей мгновенных значений, автокорреляционной функцией и спектральной плотностью. Различают генераторы непрерывно и дискретно распределенного случайного напряжения. Первые классифицируют по частотному диапазону, виду функции распределения и спектральной плотности. Вторые делятся на генераторы двухуровневого (двоичного) и многоуровнего случайного напряжения. Последние бывают с равномерным, биномиальным и другим распределением вероятностей уровней.

К генераторам случайного напряжения относятся также генераторы случайных импульсных последовательностей. При этом случайным параметром выходного напряжения являются моменты появления очередных импульсов и интервалы между ними. В зависимости от функции распределения вероятностей временных интервалов между импульсами различают генераторы с пуассоновским, показательным и другим распределением. Структурная схема генератора непрерывно распределенного случайного напряжения состоит из задающего генератора, преобразователя, выходного устройства и измерителя уровня шума.

Задающий генератор является первичным источником шумового напряжения. Практически в качестве первичных источников используются физические процессы, приводящие к образованию устойчивых шумов, характеристики которых поддаются точному расчету и измерению. Наиболее часто используют тепловые шумы проволочных резисторов, дробовые шумы вакуумных диодов и шумы газоразрядных приборов.

Синтезаторами частотназываются специальные измерительные генераторы синусоидального напряжения с дискретной перестройкой частоты и стабильностью, равной стабильности частоты лучших генераторов с кварцевой стабилизацией (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Структурная схема синтезатора

Синтезаторы позволяют получить сетку напряжений фиксированных частот, объединяющую миллионы отсчетов с дискретностью в десятые или даже сотые доли Герца. Они обеспечивают хорошую синусоидальную форму, высокую спектральную "чистоту", большую точность установки и возможность программной перестройки частоты с помощью сигналов, поступающих от внешних устройств.

Основные технические характеристики синтезаторов: диапазон перестраиваемых частот, дискретность перестройки, точность установки и стабильность частоты, уровень нелинейных искажений и спектральная "чистота" выходного напряжения.

В практике применяются два метода синтеза: прямой и косвенный.

В основе прямого метода лежит многократное изменение частоты исходных высокостабильных колебаний f₀с помощью операций деления, умножения, сложения и вычитания. Деление частоты обычно осуществляется с помощью пересчетных схем. Реализация умножения, сложения и вычитания частот базируется на использовании известных свойств нелинейных электрических цепей. Сочетание нелинейного четырехполюсника с фильтром, настроенным наN-ю гармонику, позволяет умножить частотыf₀на целое числоN. Соответственно нелинейный шестиполюсник (смеситель) и фильтр обеспечивают сложение и вычитание частот двух колебаний. При косвенном методе выходное колебание синтезатора формируется генератором с плавной перестройкой частоты. Необходимая стабильность частотыf_выхколебаний обеспечивается их косвенной синхронизацией с колебаниями вспомогательного генератора, стабилизированного кварцем. Косвенная синхронизация достигается в процессе сравнения фазы напряжения, образованного при делении частотыf_выхисходных колебаний на целое числоN, с фазой вспомогательного колебания. Синхронизация обеспечивается схемой фазовой автоподстройки частоты, а дискретная перестройка частотыf_выхпутем изменения коэффициента деления пересчетной схемыN.