книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

прибор служит также для фиксации настройки в резонанс колеба­ тельной системы прямоотсчетного измерителя частоты. Подобные схемы построения имеют генераторы стандартных сигналов типов Г4-11А и Г4-32А.

Генераторы СВЧ требуют особо тщательной экранировки, так как с увеличением частоты облегчается утечка мощности СВЧ че­ рез малейшие отверстия. Во избежание утечки по проводам пита­ ния их выполняют в виде коаксиальных кабелей со специальным наполнителем, хорошо поглощающим энергию СВЧ. Особые тре­ бования предъявляются также к источнику питания генератора — он должен обладать жесткой стабильностью питающих напряже­ ний и токов, так как от этого зависит стабильность параметров сиг­ налов задающего генератора (главным образом, частоты).

Примерами СВЧ-генераторов могут служить генераторы Г4-83, Г4-56, Г4-11А, Г4-32А. Например, генератор Г4-32А имеет диапазон частот 8,82—12,1 ГГц, погрешность установки частоты 0,2%, не­

стабильность частоты ± 1,10~4;диапазон калиброванной выходной

мощности 2-10 8—200 мкВт (2-10 14—2-10 4 Вт); милливаттный выход обеспечивает выходную мощность до 4 мВт на нагрузке 50 Ом. Сечение волновода 23X10 мм2. Предусмотрены режимы не­ прерывной генерации и импульсной модуляции. В генераторах

Г4-56 и Г4-83 предусмотрена также возможность частотной моду­ ляции.

^Проявление когерентных источников электромагнитных колеба­ ний инфракрасного и оптического диапазонов позволяет ставить

30

вопрос о создании соответствующих измерительных генераторов, назначение которых аналогично назначению измерительных гене­ раторов более длинноволновых диапазонов, а технические характе­ ристики определяются применяемыми элементами, прежде всего параметрами применяемых квантовых генераторов.

В зависимости от назначения измерительных генераторов в них могут быть использованы оптические квантовые генераторы раз­ личных типов: непрерывного излучения (газовые, полупроводнико­ вые и твердотельные), импульсного периодического излучения (прежде всего газовые) и моноимпульсные твердотельные.

Например, газовые квантовые генераторы непрерывного дейст­ вия имеют следующие параметры:

—длина волны от 0,5 до 10,6 мкм;

—максимальная мощность от 20 мВт до 100 Вт;

—нестабильность частоты ( без применения специальных мер)

1 0 '6- 10-5;

— расходимость луча 30"—50'.

Спектральный состав излучения определяется геометрией при­ меняемого в генераторе открытого резонатора. Обычно излучение состоит из нескольких линий, отстоящих друг от друга по частоте на расстоянии от 1 МГц до нескольких сот мегагерц. Спектраль­ ная ширина каждой линии в обычных условиях не превышает не­ скольких килогерц.

Модуляция света в генераторах может осуществляться разно­ образными модулирующими устройствами (электрооптическими, магнитооптическими, механическими и пр.).

§ 2.3. ИМПУЛЬСНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Импульсные измерительные генераторы, т. е. источники им­ пульсных сигналов той или иной формы, применяются при исследо­ ваниях, испытаниях, регулировке импульсных схем и устройств, при снятии переходных характеристик отдельных узлов аппарату­ ры, при измерении временных интервалов, служат импульсными модуляторами маломощных генераторов СВЧ и т. д.

Метрологическими характеристиками импульсных измеритель­ ных генераторов являются:

—желательная форма импульса;

—перечень параметров, описывающих эту форму;

—пределы регулировки каждого из параметров;

—максимально-допустимая погрешность установки или конт­

роля каждого из параметров;

— допустимая временная нестабильность параметров.

Кроме основных параметров, реальный импульс характеризу­ ется паразитными параметрами, которые определяют нежелатель­ ное отклонение его формы от идеальной. Величины паразитных параметров также относятся к метрологическим характеристикам (для генератора прямоугольных импульсов — длительности фрон-

31

та и спада, снижение вершины; для генератора пилообразных им­ пульсов — коэффициент нелинейности прямого хода и т. д.).

Рассмотрим принципы построения некоторых типов импульсных измерительных генераторов.

Наиболее широкое применение находят генераторы импульсов прямоугольной формы, основными регулируемыми параметрами которых являются длительность т, амплитуда Um и частота повто­ рения F (либо период T=l/F).

Измерительные генераторы периодической последовательности прямоугольных импульсов выполняются согласно структурной схе­ ме, приведенной на рис. 2.13.

■>егѵлиро6кэ Г Регулиро6*а ^ Рпѵлироіхг t" PewupcS*a Um

Рис. 2.13.

Задающий генератор вырабатывает напряжение, частота кото­ рого, регулируемая в заданных пределах, определяет частоту сле­ дования выходных импульсов измерительного генератора. В каче­ стве задающего генератора чаще всего используется блокинг-ге- нератор либо мультивибратор. Задающий генератор может рабо­ тать либо в автоколебательном режиме, либо в ждущем режиме (в режиме внешнего запуска). Он также вырабатывает импульсы для синхронизации или запуска различных внешних устройств (например, осциллографа, работающего в режиме внешней синхро­ низации). В ряде случаев в качестве задающих генераторов ис­ пользуются генераторы синусоидальных колебаний. Они обеспе­ чивают более высокую стабильность и точность установки частоты, но требуют наличия дополнительных каскадов для преобразова­ ния синусоидальных колебаний в последовательность импульсов. При необходимости особо высокой точности установки частоты повторения в качестве задающего используется генератор синусои­ дальных колебаний с кварцевой стабилизацией частоты.

Блок внешнего запуска позволяет запускать задающий генера­ тор сигналами от внешнего источника или осуществлять однократ­ ный запуск задающего генератора, например, нажатием кнопки. Для запуска задающего генератора внешним сигналом он должен быть предварительно переведен в ждущий режим. При внешнем за­ пуске частота следования выходных импульсов генератора равна частоте запускающего сигнала. В состав блока внешнего запуска

32

обычно входят усилитель и переключатель полярности импульсов запуска.

Блок задержки предназначен для создания регулируемой вре­ менной задержки выходных импульсов относительно импульсов за­ дающего генератора (т. е. относительно синхронизирующих им­ пульсов). В состав блока задержки могут входить искусственные линии задержки (ступенчатая регулировка) и электронные спус­ ковые схемы (плавная регулировка). Искусственные линии за­ держки, состоящие из звеньев фильтров нижних частот, приме­ няются для получения фиксированных значений задержки до 10— 20 мкс. Для получения плавно регулируемой задержки большой длительности наряду со спусковыми устройствами используются схемы с генератором линейно изменяющегося напряжения и срав­ нивающим устройством.

Блок формирования импульсов формирует импульсы требуемой формы, амплитуды и длительности, работает в ждущем режиме и запускается импульсами, поступающими с блока задержки. Час­ то формирование выходных импульсов осуществляется путем раз­ дельного формирования переднего и заднего фронтов с помощью блокинг-генераторов. Для этой же цели применяются спусковые устройства и искусственные линии формирования. Плоская верши­ на импульсов часто формируется амплитудным ограничителем.

Выходной блок служит для согласования блока формирования с нагрузкой, для регулировки амплитуды импульсов и изменения их полярности. В его состав могут входить Катодный повторитель, усилитель и инвертирующий каскад для получения импульсов различной полярности.

В состав измерительного блока входит обычно устройство для измерения амплитуды импульсов, а иногда осциллографический Индикатор, позволяющий наблюдать форму выходных импульсов и контролировать их частоту следования.

Декадный делитель позволяет ослабить импульс выходного блока в 10, 100 раз и т. д.

Примером генератора прямоугольных импульсов может слу­ жить прибор Г5-15, имеющий следующие метрологические харак­ теристики:

— длительность импульса 0,1—10 мкс;

—• погрешность установки длительности импульса ± (0,lt-f f0,03) мкс;

—частота следования импульсов 40 Гц—10 кГц (имеется од­ нократный запуск);

—длительность задержки 0,1 мкс—1000 мкс;

—амплитуда импульсов обеих полярностей 10—100 В (без де­ лителя).

Разновидностью генераторов прямоугольных импульсов явля­ ются генераторы наносекундных импульсов. Они применяются при испытании быстродействующих ЦВМ, устройств многоканальной

радиосвязи, для снятия характеристик ймИулЬСны* систем, исследования переходных процессов в высокочастотных полупроводнико­ вых приборах и ферритах и т. д.

Эти генераторы выполняются примерно по рассмотренной структурной схеме (рис. 2.13), но характеризуются рядом осо­ бенностей. Основное отличие заключается в специфике схемы фор­ мирующего устройства, а также в более жестких требованиях к широкополосности выходного устройства, что диктуется необхо­ димостью передачи без искажений сформированных сигналов с

применяются лампы со вторичной эмиссией, цепи с нелинейными индуктивностями (ферритами) и конденсаторами (варикондами), туннельные диоды и т. д.

Примером генератора наносекундных импульсов может слу­ жить прибор типа Г5-47, имеющий следующие характеристики:

—длительность импульса 3—100 нс;

—длительность фронта и спада 1—3 нс;

—частота следования импульсов 20 Гц—200 кГц;

—наибольшая амплитуда выходных импульсов обеих поляр­ ностей 50 В.

В практике измерений находят также применение генераторы сдвинутых импульсов, многоканальные генераторы кодовых групп импульсов и другие.

Генератор сдвинутых импульсов — это источник периодически повторяющих парных импульсов, один из которых является опор­ ным, а второй задержан относительно опорного на определенный регулируемый интервал времени. Такие генераторы применяются для измерения временных интервалов, проверки схем временной' селекции, коммутации различных схем, при настройке и исследо­ вании импульсных систем и т. д.

Генератор сдвинутых импульсов, структурная схема которого приведена на рис. 2.14, содержит два канала — формирования опорного и задержанного импульсов. Оба канала работают от од­ ного генератора запускающих импульсов, причем задержка каж­ дого из импульсов относительно запускающего изменяется неза­ висимо. Также независимо могут изменяться амплитуда и длитель­ ность каждого из импульсов. Помимо раздельных выходов кана­ лов имеется общий выход, сигнал на котором получается путем суммирования выходных сигналов обоих каналов в общем выход­ ном суммирующем устройстве.

Примером подобного генератора является прибор типа Г5-30, имеющий следующие основные характеристики:

—частота следования пар импульсов 1—ІО6 Гц;

—длительность импульсов обоих каналов 0,4—10е мкс;

34

— амплитуда импульсов 50 В на одиночных выходах 8 В на общем выходе;

— временной сдвиг между импульсами 0—ІО6 мкс.

Рис. 2.14.

Генераторы кодовых групп импульсов — это источники сигна­

менным сдвигом и т. д. Такие генераторы применяются при на­ стройке, испытаниях и исследованиях многоканальных устройств связи, радиотелеметрических систем, импульсных устройств ра­ диоуправления и т. п.

Генераторы кодовых групп выполняются многоканальными. В них предусматриваются независимые регулировки длительности и амплитуды каждого импульса, количества импульсов, входящих в группу, а также частоты следования кодовых групп — пакетов импульсов. Кодовая группа образуется суммированием на нагруз­ ке выходных импульсов, вырабатываемых каждым каналом.

Примером генератора кодовых групп является пятиканальный генератор типа Г5-5, который имеет следующие характеристики:

—число импульсов в кодовой группе 2—5;

—длительность импульсов каждого канала 0,1—15 мкс;

—временные интервалы между импульсами 1—60 мкс;

—частота следования кодовых групп 200—2500 Гц;

—амплитуда выходных импульсов 5—50 В;

—возможная задержка первого импульса кодовой группы от­ носительно запускающего 5—1000 мкс.

Промышленностью выпускаются также генераторы сигналов специальной формы. Например, генератор Г6-1 представляет со­ бой источник сигнала, спектр которого содержит шесть гармоник,

Проверки погрешности ламповых вольтметров, обусловленной фор­ мой кривой измеряемого напряжения, и т. д.

Генератор Г6-8 обеспечивает получение сигналов синус-квад- ратичной и ступенчатой формы и применяется для контроля и из­ мерения параметров телевизионной аппаратуры, аппаратуры ре­ лейных и кабельных линий связи и т. п.

§ 2.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ

Генераторы шумовых сигналов — это измерительные генерато­ ры, вырабатывающие флуктуационные напряжения с определен­ ными вероятностными характеристиками. Таким образом, генера­ торы шумовых сигналов представляют собой особый тип измери­ тельных генераторов, создающих на внешней нагрузке напряже­ ние заранее неизвестной (случайной) формы, которая не может быть предсказана. Известны не форма сигнала на выходе, а веро­ ятностные характеристики этого сигнала -- закон распределения, корреляционная функция или энергетический спектр и др.

Такие генераторы применяются при измерении коэффициента шума радиоприемников, усилителей и других четырехполюсников, предельной чувствительности усилителей, при исследовании поме­ хоустойчивости радиоэлектронных устройств и т. д.

Как и генераторы гармонических колебаний, генераторы шу­ мовых сигналов классифицируют в основном по рабочему диапа­ зону частот. Однако если спектр сигнала генератора гармониче­ ского колебания состоит из одной спектральной линии, положение которой на оси частот изменяется при перестройке генератора, то энергетический спектр шума, характеризующий распределение средней мощности по частоте, является сплошным во всей требуе­ мой полосе частот. Генераторы шумовых сигналов обычно не пере­ страиваются, а лишь в некоторых случаях допускают ступенчатое изменение ширины полосы энергетического спектра. В зависимо­ сти от диапазона, в котором находится верхняя граничная частоза спектра, генераторы делятся на инфранизкочастотные, низко­ частотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Метрологическими характеристиками генераторов шумовых сигналов являются:

—ширина энергетического спектра (спектр шума, полоса час­

тот) ;

—допустимая неравномерность спектральной плотности мощ­ ности шума;

—пределы изменения уровня выходного сигнала (или наи­ больший уровень);

—форма дифференциального закона распределения вероят­ ностей.

Структурная схема генератора шумовых сигналов приведена ка рис. 2.15.

Задающий генератор является наиболее специфическим узлом прибора. Если генерация гармонических и импульсных колебаний

36

осуществляется определенными схемами с положительной обрат­ ной связью при выполнении определенных условий (баланса фаз и баланса амплитуд), то «генерация» шума совершенно не связана

Рис. 2.15.

со схемами либо условиями подобного рода. «Генерация» шума — это использование естественных флуктуационных явлений и про­ цессов, имеющих место в различных устройствах (например, теп­ ловых флуктуаций в резисторах, дробовых шумов в электронных лампах, шумов низкотемпературной плазмы в газоразрядных лам­ пах и др.).

Возникновение шумов связано с хаотическим движением частиц Iэлектронов, ионов) в элементах электрических цепей. Выбор того пли иного физического явления для использования в задающем генераторе диктуется в первую очередь требованиями к ширине и равномерности спектра, интенсивности шума, стабильности и воспроизводимости характеристик.

Сигнал задающего генератора, как правило, должен иметь равномерную спектральную плотность мощности (т. е. равномер­ ный энергетический спектр) во всей полосе частот генератора шу­ мовых сигналов.

Спектральную плотность мощности принято характеризовать мощностью шума в полосе частот, равной 1 Гц, выделяемую в сопротивлении 1 Ом:

где U — действующее значение напряжения на сопротивлении

1Ом;

А/э — ширина энергетического спектра шума.

Как известно, идеальным сигналом с равномерной спектраль­ ной плотностью мощности является «белый» шум. Источником практически «белого» шума с чрезвычайно широким спектром яв­ ляется нагретый проволочный резистор. Действующее значение напряжения такого шума, развиваемое в полосе частот А/ на сопро­ тивлении R, рассчитывается по формуле Найквиста

нашли также вакуумные диоды, работающие в режиме насыще­ ния. В них используется явление дробового эффекта. Регулируя ток начала, можно изменять мощностью шума. Шумовой диод служит источником очень широкополосного шума (до сотен МГц) практически постоянной спектральной плотности мощности.

В диапазоне СВЧ используются газоразрядные трубки, запол­ ненные аргоном, неоном или гелием при давлении 3—30 мм рт. ст. Они выпускаются в коаксиальном и волноводном исполнении. При­ меняются и другие первичные источники шума (фотоумножители, стабилитроны и пр.).

Преобразователь может содержать усилители, фильтры, ограни­ чители, гетеродинные переносчики спектра. Эти элементы служат для усиления интенсивности шума, для формирования требуемой по­ лосы частот (в частности, для получения низко- и инфранизкочаетотных шумов), для получения заданного закона изменения спект­ ральной плотности мощности в диапазоне частот.

Основным элементом выходного устройства генератора шумо­ вых сигналов является калиброванный широкополосный аттенюа­ тор, обеспечивающий одинаковое ослабление во всей полосе шу­ мового сигнала.

Уровень сигнала контролируют с помощью вольтметра дейст­ вующих значений, подключенного на входе аттенюатора. В генера­ торе с нагреваемым резистором показание прибора, измеряющего температуру резистора, на основании формулы Найквиста пере­ водят в значения спектральной плотности мощности, в которых и градуируют прибор.

Примерами генераторов шумовых сигналов могут служить низ­ кочастотный генератор типа Г2-12 со спектром шума 20 Гц—20 кГц, неравномерностью спектральной плотности шума 2 дБ и выходной мощностью до 3 Вт; высокочастотный генератор типа Г2-32 со спектром шума 1—600 МГц.

38

Г Л А В А 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

§ 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основным прибором, применяемым для исследования формы сигналов, служит электронный осциллограф — прибор для визу­ ального наблюдения электрических сигналов и измерения их па­ раметров с помощью электроннолучевой трубки. С помощью осциллографа можно измерять мгновенные значения, амплитуды

напряжения и тока, временные параметры сигналов, частоту пов­ торения импульсов, глубину модуляции, сдвиг фаз и др. Неэлектри­ ческие процессы (давление, температуру, вибрацию, скорость и пр.) также можно исследовать с помощью осциллографа, предва­ рительно преобразовав их с помощью датчиков-преобразователей в электрические сигналы.

Осциллографы применяются практически во всех отраслях нау­ ки и техники как в качестве автономных приборов, так и в каче­ стве составных частей различных установок. Осциллограф входит в состав приборов для исследования характеристик сигналов и цепей: анализаторов спектра сигналов, измерителей частотных, пе­ реходных и вольт-амперных характеристик цепей и т. д.

Широкое применение электронного осциллографа обусловлено не только его универсальностью и наглядностью получаемого на экране изображения, но и такими его качествами, как высокое входное сопротивление, высокая чувствительность, пренебрежимо малая инерционность вплоть до очень высоких частот.

Осциллографы классифицируются по ширине полосы пропуска­ ния канала сигнала (до 1, 30, 100, 1000 и свыше 1000 МГц, причем нижняя граница полосы — либо нулевая частота, т. е. постоянный ток, либо частота порядка десятков герц); по точности воспроизве­ дения формы сигнала, по точности измерения временных интерва­ лов и амплитуды и др.

39