5.4 Измерительные генераторы
5.4.1 Назначение и классификация измерительных генераторов
Измерительный генератор (ИГ) представляет собой источник электрических сигналов определенной формы, параметры которых (частота, напряжение, мощность) могут регулироваться и поддерживаться с требуемой точностью.
В измерительных технологиях ИГ используются для имитации рабочих сигналов, как вспомогательное устройство в процессе измерений, а также для питания измерительных цепей, при настройке и испытаниях измерительной, радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры, устройств автоматики и др.
Классификация измерительных генераторов.
По форме выходного сигнала:
источники постоянного напряжения
генераторы переменных периодических напряжений
гармонических
импульсных (релаксационных) колебаний прямоугольной, треугольной, пилообразной формы и т.п.
генераторы сигналов специальной формы
амплитудно-, частотно- , фазомодулированных сигналов
тестовых двоичных последовательностей
генераторы шума;
По частотному диапазону генераторы делятся на:
инфракрасночастотные (0,01 - 20 Гц)
низкочастотные ( НЧ 20 Гц – 300 кГц)
высокочастотные ( ВЧ 0,3 – 300 МГц)
сверхвысокочастотные (СВЧ, свыше 300 МГц)
Основными нормируемыми метрологическими характеристиками измерительных генераторов являются
диапазон частот вырабатываемого сигнала
диапазон уровней сигнала
пределы искажения формы сигнала
нестабильность частоты
погрешность установки частоты
погрешность установки выходного напряжения
выходное сопротивление
и многие другие.
Наиболее часто в процессе измерений используются генераторы гармонических колебаний или импульсных сигналов прямоугольной формы. Гармонический сигнал является универсальным с точки зрения процедуры измерения, поскольку рабочие сигналы любой сложной формы включают в себя набор гармонических составляющих. Двоичные импульсные сигналы используются в процессе измерений параметров цифровых систем.
Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического решения генераторы гармонических и импульсных сигналов включают в себя
задающий генератор (нелинейный усилитель с положительной обратной связью)
источник питания
устройства, обеспечивающие развязку с нагрузкой
устройства, обеспечивающие заданную мощность и выходное сопротивление.
Рассмотрим принципы построения функциональной схемы измерительных генераторов.
5.4.2 Генераторы гармонических колебаний
Измерительные генераторы гармонических колебаний выполняются в двух видах:
генераторы сигналов ГС
генераторы стандартных сигналов ГСС.
ГСС имеют более высокие показатели стабильности частоты и формы, но меньший диапазон уровней сигнала, маркируются Г4-... .
Генераторы сигналов ГС маркируются Г3-... .
Основные требования к генераторам синусоидальных колебаний:
получение сигнала заданной формы с минимальными нелинейными искажениями (нелинейные искажения вызваны наличием в схеме нелинейных элементов и проявляются в виде дополнительных высших гармоник, уровень которых не должен превышать допустимый процент от уровня всего сигнала);
получение необходимой частоты колебаний в заданном пределе (возможна непрерывная плавная регулировка частоты или использование фиксированных частот);
получение необходимого уровня выходного напряжения в заданных пределах (при плавной или фиксированной регулировке);
получение необходимого стандартного значения выходного сопротивления;
точность установки параметров
стабильность параметров во времени.
П
остроение
функциональной схемы измерительных
генераторов во много определяется
основными требованиями к генераторам.
Обобщенные функциональные схемы ИГ
гармонических колебаний представлены
на рисунке 5.4.1
Рисунок 5.4.1 Обобщенные функциональные схемы измерительных генераторов:
а - генератор сигналов, б – генератор стандартных сигналов.
Основным узлом ИГ является задающий генератор. ЗГ вырабатывает напряжение синусоидальной формы требуемой частоты. В зависимости от схемы задающего генератора различаю генераторы следующих типов:
RC-генераторы
Генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты
Генераторы на биениях.
Принцип действия задающих генераторов рассматривается в специальных дисциплинах. Частота колебаний, стабильность частоты и точность ее установки определяется типом и параметрами ЗГ. Наилучшие метрологические характеристики обеспечиваются генераторами с кварцевой стабилизацией частоты, относительная погрешность установки частоты в этих генераторах составляет 10-6 ÷ 10-7, нестабильность частоты 310-7 ÷ 310-9, коэффициент гармоник 1-2%
Буферный элемент обеспечивает развязку ЗГ с нагрузкой, то есть исключает влияние нагрузки на режим работы задающего генератора и его параметры.
Усилитель мощности обеспечивает получение опорной мощности (уровня) сигнала на выходе генератора. Здесь же осуществляется плавная регулировка опорного уровня выходного напряжения. Диапазон данной регулировки невелик, поскольку допустим только в пределах линейной части вольт-амперной характеристики усилителя. Это ограничение важно с точки зрения выполнения другого требования к измерительным генераторам – обеспечение минимальных нелинейных искажений.
Ряд измерительных генераторов имеют индикатор напряжения выходного напряжения, который позволяет контролировать плавную регулировку уровня, а также иногда используется в процессе градуировки генератора.
Аттенюатор (магазин затуханий) позволяет ослабить опорное выходное напряжение относительно номинального. Такая регулировка уровня (напряжения) является ступенчатой и позволяет расширить диапазон регулировки уровня выходного сигнала поскольку одной плавной регулировки порой недостаточно.
Аттенюатор должен быть калиброванным, то есть вносимое затухание задается с определенной степенью точности. Аттенюатор обычно градуируется в логарифмических единицах, например, -10дБ, -20дБ, -40дБ и.т.д.
Для передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку должно быть выполнено условие согласования сопротивлений измерительного генератора и нагрузки. Данное требование выполняется согласующим трансформатором.
Генераторы стандартных сигналов ГСС являются маломощными с низким уровнем выходного напряжения (до 1В), они обычно применяются при испытании и настройке узлов радиоаппаратуры. Основные требования, предъявляемые к ним – высокая стабильность частоты, уровня, минимальные нелинейные искажения.
В генераторах стандартных сигналов предусматривается возможность получения амплитудномодулированного сигнала за счет использования внутреннего или внешнего источника модуляции (рисунок 5.4.1).
Существенное уменьшение погрешности и улучшение других метрологических характеристик достигается в измерительных генераторах, в которых задающий генератор выполнен на базе синтезатора частоты. Принцип работы синтезатора частоты основан на многократном преобразовании опорной частоты f0, получаемой от генератора с кварцевой стабилизацией, в сетку дискретных выходных частот fвых. Таким образом, обеспечивается получение сигналов с высокой стабильностью частоты в диапазоне от единиц герц до десятков мегагерц с шагом дискретности установки частоты 0,1…0,01 Гц. Диапазон частоты выходных сигналов синтезаторов частоты 20 Гц…50 МГц; погрешность установки опорной частоты 1*10-8.
Генераторы сигналов низких частот являются источниками электрических колебаний синусоидальной формы в диапазоне частот от 20 Гц до 300 кГц. Имеется тенденция к расширению этого диапазона вниз до единиц герц и вверх до единиц мегагерц.