Измерительные генераторы

Измерительные генераторы выполняют роль источников питания, имеющих калибровку по напряжению, частоте и т. п. Они классифицируются следующим образом:

• измерительные генераторы низкой (звуковой) частоты;

• измерительные генераторы радиочастот;

• импульсные измерительные генераторы.

Измерительные генераторы низкой (звуковой) частоты имеют синусоидальные колебания, частоту которых можно плавно изменять от десяти Гц до 20 кГц, а иногда до 200 кГц. Эти приборы относятся к группе генераторов сигналов и имеют индекс Г3. Их частота измеряется по шкале с точностью ±(0,02f ± 1) Гц. Выходное напряжение регулируется от долей вольта и измеряется с помощью выходного вольтметра с погрешностью 1 – 3 %. Уход частоты генератора за час работы составляет (0,003 – 0,004) f. Коэффициент гармоник колеблется в пределах 0,7 – 2%.

Основные требования к этим генераторам:

1. малые искажения синусоидальной формы кривой;

2. стабильность частоты.

Измерительные генераторы звуковых частот используются для получения частотных характеристик отдельных блоков, для питания измерительных установок (например, мостовых схем), измерения частоты и т. п.

Измерительные генераторы радиочастот предназначены для испытания радиоаппаратуры и часто имитируют сигналы передающих станций. Их частотный диапазон от 100 кГц до десятков тысяч мегагерц. Напряжение выхода изменяется от единиц микровольт до нескольких вольт при выходной мощности в несколько ватт. Выходной сигнал может быть промодулирован по амплитуде. Измерительные генераторы радиочастот делятся на генераторы сигналов (Г3 -) и генераторы стандартных сигналов (Г4- ). Генераторы имеют калибровку по частоте, амплитуде и т. п. Точность установки частоты – 1-2%. Эти генераторы должны иметь по возможности более высокую стабильность частоты и амплитуды колебаний, отсутствие высших гармоник.

Схема такого генератора состоит из задающего генератора переменной частоты, напряжение от которого поступает на буферный усилительный каскад, на который поступает также модулирующее напряжение. Измерительные генераторы часто выполняются так, чтобы можно было осуществить амплитудную модуляцию синусоидальным или импульсным напряжением. Для выполнения амплитудной модуляции синусоидальным напряжением применяют генераторы звуковой частоты, работающие на фиксирующих частотах (400 и 1000 Гц).

Для модуляции генератора радиочастоты импульсным напряжением используются импульсные генераторы.

На входе измерительного генератора применяют делитель выходного напряжения или мощности (аттенюатор), который служит для регулировки выходного напряжения или мощности и дает возможность уменьшить их величину до достаточно малых уровней.

Импульсные измерительные генераторы формируют импульсы различных форм (пилообразные, треугольные, прямоугольные, короткие импульсы с определенной длительностью паузы, прямоугольные импульсы, колиброванные по длительности и т. д.). Их индекс Г5-.

Импульсные генераторы используются для запуска и проверки импульсных электронных установок, для измерения временных характеристик, например, времени прохождения импульса, периода развертки осциллографа и т. д.

Промышленностью выпускаются также генераторы шумовых сигналов (Г2-) и генераторы специальных сигналов специальной формы (Г6-).

Измерительные генераторы обычно состоят из генератора с самовозбуждением – задающего генератора и буферного (выходного) усилителя мощности.

Буферный усилитель служит для того, чтобы исключить влияние присоединяемых к генератору различных внешних нагрузок и обеспечить необходимую мощность на этих нагрузках. Задающий генератор в этих условиях должен только генерировать колебания с заданной частотой, амплитудой и формой кривой, которые используются для возбуждения буферного усилителя мощности.

Задающий генератор – это усилитель с частотно-зависимой цепью положительной обратной связи. Коэффициент усиления усилителя, охваченного положительной обратной связью.

(1)

К_ОС – коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

β – коэффициент ослабления (преобразования) цепи обратной связи.

Условие самовозбуждения определяется наличием положительной обратной связи и записывается в виде (2). Тогда, что указывает на возникновение автоколебания. Известно, что

Для выполнения условия (1) необходимо, чтобы

, n = 0, 1, 2,….. (3)

т. е. для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы произведение чувствительностей равнялось 1, а сумма фаз - 2πn.

При выполнении условий самовозбуждения казалось бы возможны колебания с бесконечно большой амплитудой, однако нелинейность в системе приводит к тому, что устанавливаются колебания постоянной амплитуды.

Задающие генераторы по виду частотно-зависимой цепи обратной связи могут быть LC-генераторами и RC-генераторами.

В LC-генераторах цепь положительной обратной связи представлена резонансным контуром, у которого зависимость β(ω) имеет вид узкой резонансной кривой. И частота колебаний генератора ω₀ определяется резонансной частотой этого контура и приближенно равна .

В RC-генераторах цепь положительной О. С. составлена из резисторов и конденсаторов и имеет слабо выраженные избирательные свойства. Поэтому генератор генерирует напряжение той частоты, для которой выполняется условие суммы фаз. RC-генераторы легко могут быть перестроены для генерирования звуковых частот в пределах 20 Гц ÷ 20 кГц и вплоть до 1,5 мГц. Однако для получения частот > 1 кГц более компактными оказываются LC-генераторы.

LC-генераторы. Для их построения чаще всего используются трехточечные схемы включения колебательного контура. Эквивалентная схема для этого случая представлена на рисунке. Так как лампа создает фазовый сдвиг, равный π, для выполнения условий (3) необходимо, чтобы сдвиг фаз между U_а-к и U_с-к был бы равен π. Это возможно только в том случае, если реактивные сопротивления Z_а-к и Z_с-к имеют один характер: либо емкостный, либо индуктивный. Сопротивление Z_а-с для возникновения автоколебаний должен иметь характер, обратный сопротивлениям Z_а-к и Z_с-к. По виду сопротивлений Z_с-к различают три вида О.С. в генераторах: трансформаторную, автотрансформаторную и емкостную.

RC-генераторы. Для создания генераторов напряжения в звуковом диапазоне (особенно при необходимости плавной регулировки в широких пределах) используются разнообразные RC-звенья, образующие частотно-зависимые цепи обратной связи. Получили распространение три разновидности схем RC-генераторов:

1. RC-генераторы, в цепи О.С. которых используется фазирующий четырехполюсник, состоящий из нескольких простых RC-звеньев;

2. RC-генераторы с мостовыми частотно-зависимыми цепями.

RC-генераторы с фазирующим четырехполюсником. Схем с фазирующим четырехполюсником множество, в том числе так называемые лестничные схемы типа:

Воднокаскадном усилителе с нагрузкой в виде активного сопротивления фазовый сдвиг в одном каскаде равен π. Поэтому цепь О.С. должна создать сдвиг фаз, тоже равный π. С помощью однойRC-ячейки это осуществить невозможно, ибо она дает угол < 90º, нельзя и с помощью двух ячеек. А вот с помощью трех, если каждая создает сдвиг ≈ 60º уже возможно. Правда происходит значительное ослабление сигнала.

(Конденсатор С₄ не является звеном фазосдвигающего устройства. Он разделительный).

Структурная схема генератора с фазовращающимся четырехполюсником представлена на чертеже. Аналогично строятся генераторы с мостовыми частотно-зависимыми цепями (например, мост Вине) и с двойным Т-образным мостом (неуравновешенным), которые обеспечивают сдвиг по фазе между U_вых и U_вх.