5. 3. Принципы построения низкочастотных цифровых генераторов

К генератору (или формирователю стимулирующих воздействий) синусоидальной формы предъявляются определенные, иногда достаточно высокие, требования по коэффициенту гармоник, диапазону задания частоты и амплитуды выходного сигнала, их стабильности и плавности, перестройке частоты и др. Преимущества цифровых генераторов перед аналоговыми: они удобнее в эксплуатации, имеют более высокое быстродействие, простую установку требуемой частоты, более наглядную индикацию. Цифровые генераторы позволяют осуществить автоматическую перестройку частоты по заданной программе; работать в системе с цифровыми средствами обработки информации. Наиболее перспективными в этом отношении являются генераторы, построенные на принципе цифроаналогового преобразования. В цифровых генераторах реализуется метод формирования квазисинусоидальных сигналов при помощи ЦАП. Метод состоит в том, что синусоидальный сигнал u(t_i) =U_maxsin(t_i) аппроксимируется с известной степенью точности кусочно-ступенчатым сигналом, мало отличающимся от синусоидального сигнала (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Аппроксимирующая кривая

При этом возможны три варианта формирования кусочно-ступенчатого сигнала:

• с равномерным расположением узлов аппроксимации по времени (T_i=const);

• с равноотстоящими узлами аппроксимации по уровню (u_i=const);

• с оптимальным (неравномерным) выбором узлов аппроксимации по времени и уровню (T_i = var; u_i = var).

При периоде Тсинусоидального напряжения и шаге дискретизацииТчисло ступенейm=Т/Т. Чем больше число ступеней, тем лучше аппроксимация. Уравнение ступенчатой кривойu(iT) =Umaxsin(i2/m). Упрощенная структурная схема устройства, формирующего ступенчатую кривую, представлена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Устройство формирования ступенчатой кривой

Кварцевый генератор вырабатывает короткие импульсы с периодом следования Т_и. На выходе делителя частоты с регулируемым коэффициентом деленияkполучается новая последовательность импульсов с периодом следованияТ=kT_и, равным шагу дискретизации. Импульсы поступают в счетчик емкостьюm. Кодовая комбинация, определяемая числомiимпульсов, накопленных в счетчике, передается в ЦАП, где преобразовывается в аналоговый гармонический сигнал, соответствующий числуi, т.е.u(iT) = U_maxsin(i2/m). Таким образом формируютсяmступенек. После накопленияmимпульсов счетчик переполняется и сбрасывается в нуль. Формирование нового периода ступенчатой кривой начинается с приходом (m+ 1)-го импульса. Изменяя шаг дискретизации, можно изменять частоту формируемого сигнала. Информация о значении частоты сформированного сигнала выдается на цифровой индикатор генератора.

5. 4. Высокочастотные генераторы сигналов

Высокочастотные ИГ являются источниками синусоидальных немодулированных или амплитудно-модулированных электрических колебаний в диапазонах частот 30 кГц50 МГц и напряжений 1 мкВ1 В. Используют их для настройки радиовещательных приемников при измерении характеристик четырехполюсников и питании различных радиоустройств.

Основными узлами ИГ высокой частоты общего применения с амплитудной модуляцией (AM) являются задающий генератор, широкополосный усилитель-модулятор и выходное устройство (рис. 5.7, а).

Задающий LC-генератор вырабатывает синусоидальные напряжения. Диапазон генерируемых частот разбивается на ряд поддиапазонов, перестройка частотыв пределах поддиапазона осуществляется конденсатором переменной емкости, переход же к новому поддиапазону – с помощью коммутации катушек индуктивности. Формирование поддиапазонов можно осуществить, подавая сигнал на цепочку делителей частоты и через совокупность фильтров на модулятор.

Амплитудная модуляция осуществляется в широкополосном усилителе-модуляторе с переменным коэффициентом усиления, управляемым электрическим напряжением. Модулирующее напряжение создается либо внутренним генератором низкой частоты (частота 1 кГц), либо внешним генератором.

Модулирующее напряжение перемещает положение рабочей точки по характеристике U_вых(U_вх) усилителя с разной крутизной. Это приводит к изменению коэффициента усиления для высокочастотного сигнала. На выходе модулятора образуется высокочастотный сигнал, амплитуда которого меняется по закону изменения модулирующего сигнала.

Рис. 5.7. Схема высокочастотного генератора сигналов

Фильтр верхних частот не пропускает модулирующего сигнала и на его выходе образуется последовательность колебаний с разными амплитудами, т.е. высокочастотный амплитудно-модулированный сигнал u_вых(t) (рис. 5.7,б). Амплитудная модуляция контролируется измерителем характеристик модуляции. Значение модулирующего напряжения на входе поддерживается неизменным, а смещение рабочей точки осуществляется с помощью постоянного (опорного) напряжения. Этот процесс в ИГ автоматизирован.

Выходное устройство представляет собой систему калиброванных аттенюаторов, уменьшающих напряжение в целое число раз (кратное 10), и потенциометра, обеспечивающего плавную регулировку выходного напряжения. Электронный вольтметр включен на входе аттенюатора, отградуирован в значениях выходного сигнала. Выход генератора рассчитан на подключение типового коаксиального кабеля с выносным делителем напряжения.

В генераторах высокой частоты предусматривается вспомогательный выход через широкополосный усилитель для точного измерения частоты цифровым частотомером.