5. Измерительные генераторы сигналов

5.1. Общие сведения

В качестве образцовой меры частоты при технических измерениях обычно применяются измерительные генераторы

Измерительные генераторы(ИГ) – источники, вырабатывающие стабильные 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 ИГ снимают амплитудные, 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 сигналовразличают ИГ:

• инфранизкочастотные – до 20 Гц;

• низкочастотные – 20 Гц200 кГц

• звуковые – 20 Гц20 кГц;

• ультразвуковые – 20 кГц200 кГц;

• высокочастотные – 200 кГц50 МГц;

• сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом – 50 МГц10 ГГц;

• сверхвысокочастотные с волноводным выходом – выше 10 ГГц.

По форме генерируемых сигналовразличают:

• измерительные генераторы синусоидальных сигналов низкой частоты – Г3;

• синусоидальных сигналов высокой частоты – Г4;

• периодических импульсов прямоугольной формы – Г5;

• сигналов специальной формы (треугольной, трапецеидальной, пилообразной, синус-квадратной и др. ) – Г6;

• качающейся частоты – маломощные источники колебаний со специальным, часто линейным законом изменения частоты – Г8;

• шумовых сигналов – источники переменных напряжений с бесконечно широким сплошным спектром частот и калиброванным уровнем – Г2.

По виду модуляцииразличают ИГ с модуляцией

• амплитудной синусоидальной;

• частотной синусоидальной;

• импульсной;

• частотной;

• фазовой;

• комбинированной (одновременное осуществление двух видов модуляции или более).

Измерительные генераторыхарактеризуются:

• 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.

5.2. Низкочастотные генераторы синусоидальных сигналов

Низкочастотные ИГ (звуковой и ультразвуковой частот) вырабатывают синусоидальные колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц200 кГц), амплитудой (от долей милливольт до 150 В) при нескольких фиксированных значениях сопротивления нагрузки, максимальной мощностью 1 мВт–10 Вт.

Нелинейные искажения синусоидального выходного сигнала характеризуются коэффициентом гармоники, равным отношению среднеквадратического напряжения суммы всех гармоник сигнала U₂, …,U_k, кроме первой, к среднеквадратическому напряжениюU₁первой (основной) гармоники:

.

Коэффициент К_гзависит от значений частоты и выходной мощности сигнала.

Диапазон генерируемых частот характеризуется коэффициентом перекрытия, равным отношению максимальной генерируемой частоты f_maxк минимальнойf_min:

.

Расширение диапазона генерируемых частот возможно за счет применения поддиапазонов.

Стабильность частоты ИГ определяется отношением абсолютного изменения частоты fк начальной частотеf₀при определенных условиях:

,

где f₁– частота ИГ, измененная внешними условиями.

Точность установки частоты определяется качеством устройства шкалы и механизмами настройки.

Абсолютная погрешность установки частоты для ИГ низких частот

,

где _f– 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 предусматривается регулировка в широких пределах частоты и напряжения (мощности) выходного сигнала.

Измерительный генератор состоит из задающего генератора, усилителя мощности, выходного устройства (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема измерительного генератора низкой частоты

Задающий генераторсоздает стабильные по частоте и амплитуде синусоидальные колебания в требуемом диапазоне частот. Он во многом определяет характеристики ИГ (форму или периодичность выходного сигнала). В зависимости от схемного решения задающего генератора ИГ делят наLC-генераторы, генераторы на биениях иRC-генераторы.

Усилитель мощностиобеспечивает развязку задающего генератора от нагрузки, усиливает напряжение (мощность) генерируемых колебаний на заданной нагрузке, т.е. согласует выход задающего генератора с выходным устройством ИГ.

Выходное устройствосостоит из аттенюатора, согласующего трансформатора, электронного вольтметра. Аттенюатор изменяет, а электронный вольтметр контролирует уровень выходного напряжения (мощности), подводимого к нагрузке. Согласующий трансформатор согласует выходное сопротивление ИГ с сопротивлением нагрузки, что обеспечивает получение максимальной выходной мощности и минимальных нелинейных искажений.