5.2.1.Lc-генераторы

В LC-генераторах частота генерируемых колебанийfопределяется емкостьюСи индуктивностьюLколебательного контура задающего генератора, работающего в режиме самовозбуждения:

.

Основные недостатки LC-генераторов – громоздкость колебательного контура и сложность его перестройки. Для создания измерительного генератора с регулируемой частотой 20 Гц20 кГц, т.е. при коэффициенте перекрытияК_пер= 10³, требуются большие емкости и индуктивности. Широкого распространенияLC- генераторы не получили; изготовляются они на узкий диапазон частот либо на одну или несколько фиксированных частот.

5.2.2. Генераторы на биениях

Задающий генератор составлен из двух высокочастотных, близких по частоте маломощных генераторов LC-типа, смесителя и фильтра низких частот (рис. 5.2).

Рис. 5. 2. Схема генератора на биениях

Генератор фиксированной частоты генерирует колебания частоты f₁; генератор регулируемой частоты генерирует колебания с частотойf₂, которая плавно регулируется в некоторых пределах. Напряжения этих частот через буферные каскады (катодные или эмиттерные повторители) поступают на смеситель. В результате взаимодействия колебаний с частотамиf₁иf₂на выходе смесителя образуются колебания серии комбинационных частотmf₁;nf₂(mиn– целые числа) и частотыf, равной разности частот Фильтр низких частот задерживает высокие частоты и выделяет разностную частоту, т.е. частоту биенийf, напряжение которой усиливается в усилителе низких частот и через аттенюатор подается на выход.

Значения частот f₁иf₂выбирают такими, чтобы разностная частота лежала в диапазоне низких частот (например,f₁= 180 кГц,f₂= 180200 кГц,f= 020 кГц).

Недостатки генераторов на биениях – сложность схемы и относительная нестабильность низкой частоты. Однако эти генераторы применяют в измерительной технике, так как выходное напряжение в них не зависит от частоты, и весь диапазон выходных частот плавно меняется с изменением емкости переменного конденсатора в колебательном контуре генератора регулируемой частоты.

5.2.3.Rc-генераторы

Наиболее распространенными ИГ низкой частоты являются RC-генераторы, выполненные по схеме, изображенной на рис. 8.1. Они отличаются простотой схемы и хорошими характеристиками. ЗадающийRC-генератор представляет собой двухкаскадный усилитель сRCположительной частотно-зависимой связью (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема RC генератора

Положительная обратная связь создается фазирующим делителем, образованным резисторами и конденсаторами R₁,C₁иR₂,C₂, предназначенными для обеспечения условий самовозбуждения лишь на одной частоте.

Условие генерации напряжения синусоидальной формы

, (5.1)

где =Ке^j– комплексный коэффициент передачи усилителя;=e^j– комплексный коэффициент обратной связи.

Из (5.1) следуют условия баланса амплитуд K_= 1 и фаз+= 2n(n= 1, 2, …). Так какRC-генератор обычно строится по схеме двухкаскадного усилителя на резисторах, для которого= 2(К– вещественная величина), то для выполнения условия баланса фаз уголдолжен быть равен нулю (коэффициентдолжен быть вещественным).

Из рис. 5.3 видно, что (=Z₂/(Z₁+Z₂). Подставив в это выражение значенияZ₁= [R₁+ 1/(j)C₁)] иZ₂=R₂/(1 +jC₂R₂) с учетомR₁=R₂=RиС₁=С₂=С, получим

. (5.2)

Чтобы коэффициент был вещественным (= 0), мнимая часть уравнения (5.2) должна быть равна нулю:CR– 1/(CR) = 0, откуда частота самовозбуждения= 1/(RC). На данной частоте= 1/3.

Изменение частоты, при которой имеет место баланс фаз, достигается изменением сопротивления Rи емкостиС.

Условие баланса амплитуд выполняется при К= 3. Генератор с малым коэффициентом усиления работает нестабильно. Чтобы сохранить стабильность во всем рабочем диапазоне генерирования, применяют усилители с большим коэффициентом, но вводят дополнительную отрицательную обратную связь, которая регулируется автоматически и позволяет уменьшить коэффициент усиления доК= 3 и обеспечить работу усилителя в пределах линейного режима.

Цепь отрицательной обратной связи представляет собой делитель напряжения, образуемый из инерционного нелинейного резистора R₃с отрицательным температурным коэффициентом (термистора) и резистораR₄, с которого снимается напряжение отрицательной обратной связи. Эта связь стабилизирует работу генератора во всем диапазоне генерируемых частот и автоматически поддерживает неизменным уровень выходного напряжения задающего генератора. Например, при увеличении выходного напряжения увеличивается ток в цепи отрицательной обратной связи, что приводит к уменьшению сопротивления термистора, т.е. к увеличению коэффициента обратной связи и приближению выходного напряжения к номинальному значению. Частоту генератора регулируют, изменяя сопротивление резисторовR₁,R₂и емкость конденсаторовC₁,С₂фазирующей цепи. Ступенчатое изменение значений сопротивления позволяет весь диапазон частот разбивать на несколько поддиапазонов. Плавная установка частоты внутри поддиапазонов достигается изменением емкостиСконденсаторов.

Усилитель мощностипредназначен для создания необходимой мощности на нагрузке во всем диапазоне генерируемых частот. Напряжение на выходе усилителя изменяется от нуля до максимума с помощью резистора, включенного на его входе. Усилитель состоит из каскадов усиления напряжения и мощности. Каскад усиления напряжения представляет собой фазоинвертор, превращающий однотактное входное напряжение в двухтактное; каскад усиления мощности – усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме с глубокой отрицательной обратной связью, нагрузкой которого является выходное устройство (рис. 5.4). Напряжение на выходе усилителя измеряется вольтметром.

Рис. 5.4. Схема выходного устройства генератора

Выходное устройствосостоит из градуированного аттенюатора и согласующего трансформатора СТр и вольтметра.

Аттенюатор (ослабитель) представляет собой резистивный делитель напряжения и состоит из последовательно соединенных Т- и П-образных звеньев, которые при коммутации обеспечивают ослабление сигнала ступенями, т.е. N= 20lg(U_{вх. атт}/U_{вых. атт}), гдеU_{вх. атт},U_{вых. атт}– входное и выходное напряжения аттенюатора;N– ослабление сигнала, дБ. Особенность аттенюатора заключается в том, что значения входногоR_{вх. атт}и выходногоR_{вых. атт}сопротивлений мало зависят от установленного ослабления.

Калибровка аттенюатора осуществляется при условии работы на согласованную нагрузку; при этом на нагрузке выделяется максимально возможная выходная мощность и достигаются малые нелинейные искажения сигнала. Поэтому вторичная обмотка трансформатора СТр выполняется секционированной, число ее витков изменяют таким образом, чтобы приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки R_нбыло равно сопротивлениюR₁первичной обмотки трансформатора СТр и одинаково для всех указанных (на лицевой панели ИГ) значений нагрузки, т.е.

где n=w₁/w₂– коэффициент трансформации трансформатора СТр;w₁иw₂– соответственно число витков первичной и каждой секции вторичной обмотки.

Для выполнения условия согласования при различных значениях сопротивления нагрузки R_нкоэффициент трансформации, а число витков.

Переключение выхода генератора на различные нагрузки производится переключателем B₁. В положении переключателя В₁– Атт к выходным зажимам подключается непосредственно выход аттенюатора. Аттенюатор обычно рассчитывают на активную нагрузку 600 Ом, поэтому коэффициент трансформациидляR_н= 60 Ом;n= 1 дляR_н= 600 Ом;n= = 0, 316 дляR_н= 6000 Ом.

При высокоомной внешней нагрузке, превышающей наибольшее значение, указанное на лицевой панели измерительного генератора, условия согласования выполняются только при подключенной к зажимам аттенюатора внутренней нагрузке R_вн, равной 600 Ом, когда трансформатор СТр отключается и напряжение на нагрузку подается непосредственно с точек a и b аттенюатора (переключатель В₂находится в положении «Включено»).

При работе на несимметричную нагрузку один из выходных зажимов (1 или 2) трансформатора СТр соединяют с заземленным зажимом 4.

Вторичная обмотка трансформатора СТр имеет вывод 3 от средней точки, что позволяет в два раза уменьшить значение выходного сопротивления, а также получить одновременно два напряжения, равных по значению, но противоположных по фазе.

Вольтметр подключается к входу аттенюатора и служит для контроля выходного напряжения ИГ. Он представляет собой электронный вольтметр средневыпрямленного значения. Все характеристики точности установки уровня выходного напряжения с помощью аттенюатора и шкалы вольтметра градуируются при работе ИГ на несимметричную нагрузку 600 Ом. Шкала вольтметра отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала – вольтах, а также децибелах. Ослабление в децибелах отсчитывается относительно нулевого уровня 0, 775 В [20lg (U/0,775)].

Нулевой уровень напряжения получен из условия, что на сопротивлении 600 Ом выделяется мощность 1 мВт (нулевой уровень мощности). Формула расчета Р=U²/R=I²R; нулевой уровень тока 1,29 мА. Если между генератором и нагрузкой не выполняется условие согласования, то выходное напряжение генератора необходимо измерять внешним вольтметром.

По схеме RC-генераторов выполнены большинство генераторов Г3. Многие измерительные генераторы не имеют выходного согласующего трансформатора. Они рассчитаны на выходное напряжение 510 В на нагрузке 600 Ом, измеряемое внешним вольтметром. Выходное сопротивление таких генераторов не регулируется.