Реферат: Еристик раз­личных радиотехнических схем, устройств и систем требуются источники испыта­тельных и реальных сигналов самых разнообразных форм, частот и мощностей

6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ


При исследованиях, испытаниях, измерениях параметров или характеристик раз­личных радиотехнических схем, устройств и систем требуются источники испыта­тельных и реальных сигналов самых разнообразных форм, частот и мощностей. Пода­вая эти сигналы в исследуемую аппаратуру, измеряют ряд параметров электрических колебаний, применяя источник в качестве меры (частота гармонического колебания, период следования импульсов, коэффициент модуляции); снимают амплитудно-частотные и переходные характеристики цепей, а также определяют коэффициент шума различных устройств; градуируют или тестируют измерительные приборы; запитывают измерительные линии при определении коэффициентов бегущей и стоячей волны, коэффициентов отражения и полных сопротивлений нагрузки СВЧ устройств. Такие источники различных колебаний называют измерительными генераторами сиг­налов.


^ Общие сведения


Измерительные генераторы сигналов (автогенераторы) — источники сиг­налов различных форм и частот, предназначенные для работы с радиоэлек­тронными схемами. Они имеют ряд принципиальных отличий от обычных генераторов: обладают возможностью точной установки и регулировки вы­ходных параметров колебаний (частоты, формы и уровня напряжения или мощности) в широких диапазонах; имеют высокую стабильность параметров и встроенные измерительные приборы, позволяющие контролировать уста­новки сигналов; могут работать совместно с другими средствами измерения и программного управления.

В зависимости от формы выходных сигналов различают измерительные генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. В спектре выходного сигнала генератора гармонических колеба­ний имеется одна или несколько гармоник. Выходные колебания релаксаци­онного генератора содержат широкий спектр гармоник, имеющих соизмери­мые амплитуды.

По частотному диапазону генераторы делятся на:

инфранизкочастотные (0,01...20 Гц),

низкочастотные, или генераторы звукового диапазона (20...300000 Гц),

генераторы высоких частот (0,3...300 МГц),

сверхвысокочас­тотные (СВЧ, свыше 300 МГц).

Особую группу представляют генераторы слу­чайных колебаний (сигналов) — измерительные генераторы шумовых сигналов. Отметим также генераторы псевдослучайных и линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН или свип-генераторы(от англ. sweep)). Та­кие генераторы используют как измерительные, так и в качестве генераторов разверток.

Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического вы­полнения генератор любых перечисленных колебаний (кроме параметриче­ских схем генерации) состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи и источника питания постоянного тока. Форма и частота вы­ходных колебаний определяются только параметрами самого генератора.

Генератор гармонических колебаний должен содержать в своем составе узкополосную колебательную систему. Принцип действия релаксационных генераторов основан на зарядно-разрядных или накопительно-поглощающих явлениях, протекающих в широкополосных энергоемких цепях положительной обратной связи.

Рассмотрим условия самовозбуждения генератора гармонических колеба­ний. Для возбуждения и генерации колебаний часть их мощности с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подается на его вход по специ­ально введенной цепи положительной обратной связи (ОС). Говоря иначе, подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генера­тором с самовозбуждением.

Механизм возникновения колебаний в генераторе можно упрощенно трактовать следующим образом. В момент запуска в колебательной системе самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, скачками токов и на­пряжений в усилительном приборе и т. д. Благодаря введению цепи положи­тельной ОС часть энергии колебаний с выхода усилителя поступает на его вход. Из-за наличия узкополосной колебательной системы все описанные процессы происходят на одной частоте ω и резко затухают на других часто­тах.

Вначале, после включения питания генератора, усиление возникшего в коле­бательной системе сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента. В результате амплитуда выходных колебаний генератора достигает некоторого установившегося уровня и потом становится практически неизменной. Энергия, отбираемая от источника постоянного тока усилителем схемы за один период колебаний, оказывается равной энергии, рас­ходуемой за то же время в нагрузке. В этом случае говорят о стационарном режиме работы генератора.

Генератор гармонических колебаний (как и колебаний любой формы и частоты) можно представить обобщенной структурной схемой, со­стоящей из нелинейного резонансного усилителя с комплексным коэффи­циентом усиления К=K(jω) и цепи положительной ОС с комплексным коэффициентом передачи по напряжению . В представленной схеме гене­ратора отмечены комплексные амплиту­ды следующих напряжений: входного — UBX = UBX(jω); выходного — UBЫX = UBЫX(jω); и обратной связи— Uос = Uос(jω);.


Выражение для напряжения обратной связи на любой частоте генерации ю за­пишем в виде



Тогда выходное напряжение определяется как Uвых = KUbx, или с учетом формулы (6.1), Uвых= KβUвых. Отсюда следует, что автогенератор будет рабо­тать в стационарном режиме при условии, когда



Если Kβ > 1, то амплитуда выходных колебаний нарастает, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора. Представим формулу (6.2) следующим образом:



Здесь показатели К(ω) = К и β(ω) = β — действительные значения коэф­фициента усиления собственно усилителя (без цепи ОС) и коэффициента пе­редачи цепи положительной ОС; и — фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем и цепью положительной ОС на текущей частоте ω.

В теории генераторов (6.3) представляют двумя равенствами:

(6.4, 6.5)

где Кос — коэффициент усиления усилителя с цепью положительной обратной связи;

n = 0,1,2,3,...

Соотношение (6.4) определяет условие баланса амплитуд в автогенерато­ре. Из него следует, что в стационарном режиме на генерируемой частоте ко­эффициент усиления усилителя с обратной связью Кос = 1.

Равенство (6.5) характеризует условие баланса фаз. Оно показывает, что в стационарном режиме суммарные фазовые сдвиги сигнала на частоте генера­ции, создаваемые усилителем и цепью положительной ОС, должны быть рав­ны нулю или кратны 2π. Следует отметить, что только условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний. В схемах генераторов гармонических колебаний, работающих в стацио­нарном режиме, соотношения (6.4) и (6.5) выполняются на одной фиксиро­ванной частоте ω, которая является резонансной для узкополосной колеба­тельной системы. При работе автогенератора негармонических колебаний условия (6.4) и (6.5) должны выполняться для некоторой полосы частот.

В генераторах гармонических колебаний колебательными системами служат резонансные LС-контуры (в СВЧ-генераторах для этих целей используются резонаторные системы) и частотно-зависимые (фазирующие) RС-цепи. Генерато­ры гармонических колебаний с LC-контурами называются LC-генераторами, а с фазирующими RС-цепями — RC-генераторами. LC-генераторы вырабатывают колебания достаточно высокой частоты (более 100 кГц), а RС-генераторы применяют для создания низкочастотных гармонических колебаний (от долей герц до десятков килогерц).


^ 2. Генераторы гармонических колебаний


Генераторы гармонических колебаний для средств измерений выполняют­ся в двух видах: генераторы сигналов (ГС) и генераторы стандартных сигна­лов (ГСС). ГСС имеют более высокие показатели стабильности частоты и формы, но меньшие уровни сигнала, чем ГС. Отечественные генераторы сиг­налов маркируются Г3, а генераторы стандартных сигналов — Г4.

Обобщенные структурные схемы измерительных генераторов гармониче­ских сигналов типа ГС и ГСС представлены на рис. 2.

LC-генераторы

В LC-генераторах, для которых выполняются условия балансов амплитуд и фаз, частота в основном определяется резонансом колебательного контура:




Упрощенная схема современного LС-генератора на операционном усили­теле — показана на рис. а. Усилитель автогенератора охвачен двумя це­пями обратной связи, обеспечивающими режимы балансов амплитуд и фаз. Баланс амплитуд устанавливается цепью отрицательной ОС, состоящей из резисторов R1 и R2. С ее помощью задается требуемый коэффициент усиления собственно усили­теля |К|=R2/R1. Баланс фаз обеспечивает цепь положи­тельной ОС, состоящая из резистора R и параллельного колебательного £С-контура. Коэффициент передачи цепи положительной ОС:



где R0 — резонансное сопротивление параллельного контура.

^ Кварцевая стабилизация частоты. К LС-генераторам отно­сятся и генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. Данный способ стабилизации основан на применении в электрических схемах кварцевого резонатора вместо элементов LC-контуров, что позволяет снизить неста­бильность частоты колебаний автогенератора до 10-7 (отклонение частоты на ∆f= 0,1 Гц от генерируемой fp = 1 МГц). Относительная нестабильность частоты в дискретных точках составляет 5.10-9 за 15 мин и 3.10-8 за 16 ч работы генератора.

Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещен­ную в кварцедержателъ тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла. Из физики известно, что кварц обладает прямым и обратным пье­зоэлектрическим эффектом (проще, пьезоэффектом). Прямой пьезоэффект возникает при механическом сжатии или растяжении кварцевой пластинки и сопровождается появлением на ее противоположных гранях электрических зарядов.

При воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластинки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебатель­ную систему и сравнивать ее свойства с обычным колебательным LС-контуром. Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как у колеба­тельного контура она не превышает 300...400. Механическая прочность и сла­бая зависимость частотных свойств от температуры обусловливают достаточно высокую эталонность частоты кварцевых резонаторов.

На рис. б показана упрощенная схема LC-генератора с кварцевой ста­билизацией.

Как правило, LC-генераторы предназначаются для работы в автоматизи­рованных измерительно-вычислительных комплексах и обеспечивают воз­можность дистанционного управления частотой и уровнем выходного напря­жения посредством команд, передаваемых двоично-десятичным кодом. Диа­пазон перестройки частоты обычно лежит в пределах от 0,01 Гц до единиц мегагерц, минимальная дискретность ее установки составляет 0,01 Гц.

RС-генераторы

Технические характеристики LC-генераторов в диапазонах достаточно низких частот существенно ухудшаются из-за резкого возрастания величин индуктивностей и емкостей колебательных контуров и соответствующих им размеров катушек индуктивностей и конденсаторов. Кроме того, их трудно перестраивать по частоте в широких пределах. Поэтому в низкочастотных измерительных генераторах гармонических колебаний в качестве колебатель­ных систем и цепей положительной ОС используют частотно-избирательные RC-цетш.

Обычно в RС-генераторах включают мост Вина (рис. 6.4, а), который осу­ществляет сдвиг фазы сигнала обратной связи на 180°.




Рис. 6.4. Схемы ЛС-генераторов с мостом Вина: а — обычная; б— кварц включен в мост Вина в качестве сопротивления


Схема генератора строится на основе усилителя, у которого в широком диапазоне частот коэффициент передачи — вещественная величина, а фазо­вый сдвиг φ=2π обеспечивается за счет моста Вина и инверсии сигнала в каскадах усиления.

Частота гармонических колебаний в RС-генераторе с мостом Вина:



На рис. 6.4, б изображена упрощенная схема ЛС-генератора с мостом Ви­на, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор, работающий в режиме резонанса напряжений.


^ Характеристики генераторов звуковых частот


Генераторы звукового диапазона частот (низкочастотные генераторы) имеют обычно значительный уровень мощности выходного сигнала — до 5... 10 Вт.Однако такая мощность может выделяться только на согласованной нагрузке, поэтому на выходе генератора часто включают согласующий трансформатор, например, на нагрузки 60, 600, 6000 Ом. Показания электронного вольтметра выходного напряжения будут правильными тоже только при согласованной нагрузке генератора. Погрешность установки частоты генератора можно сни­зить до величины, меньшей одного процента, ее нестабильность — того же порядка. Повышают стабильность частоты путем применения прецизионных внешних элементов (конденсаторов, индуктивностей и резисторов).

В задающих генераторах звуковых частот используются три метода гене­рирования:

прямой;

метод биений;

метод электронного моделирования.

В генераторе, показанном на рис. 6.3, а, используется прямой метод гене­рации.

Для повышения стабильности частоты звуковых генераторов часто применяют задающие генераторы на биениях. Структурная схема задающего гене­ратора содер­жит два первичных высоко­частотных генератора фикси­рованных частот f1 и f2, смеситель и фильтр промежу­точной частоты (рис. .5).

Рис. 5. Структурная схема измерительного генератора на биениях


Метод биений заключается в том, что колебания звуковой частоты образу­ются в результате воздействия на нелинейный элемент смесителя двух близ­ких по частоте гармонических колебаний f1 и f2. При этом частота f2 может меняться в пределах от f1 до f2+F, где F— наибольшая частота рабочего диа­пазона. На выходе смесителя получают комбинационные частоты, в том числе и так называемую промежуточную частоту Fпч=f2-f1. Колебание промежу­точной частоты Fпч выделяется фильтром промежуточной частоты.

При разработке измерительных генераторов на биениях принимают меры, направленные на обеспечение высокой стабильности частоты первичных ге­нераторов колебаний. Как правило, предусматривают возможность периоди­ческой калибровки частоты генератора. Коэффициент нелинейных искажений генерируемых колебаний обычно составляет десятые доли процента и в ос­новном определяется качеством фильтра промежуточной частоты.

Метод электронного моделирования используют для получения гармони­ческих колебаний инфранизкой частоты.

^ Генератор инфранизких частот может быть построен по обобщенной структурной схеме (рис. 6) с электронным управлением частотой. Такие устройства принято называть функциональными генераторами.


Рис. 6. Структурные схемы колебательного звена: а — электронная модель; б — усилительная; в — интегрирующая

Задающей генератор представляет собой электронную модель колебатель­ного звена. Основным элементом электронной модели колебательного звена является интегратор, построенный на усилителе постоянного тока — опера­ционном усилителе. Интегратор, как правило, представляет собой запоми­нающее звено. На рис. 6.6, а показана структурная схема электронной модели колебательного звена, включаемого в цепь положительной обратной связи автогенератора инфранизких частот. Электронная модель содержит два по­следовательно включенных интегратора и инвертор в виде усилителя. Усили­тельное и интегрирующие звенья функционального генератора представлены на рис. 6.6, б,в.


^ Характеристики высокочастотных генераторов


В диапазоне радиочастот в средствах измерений используются как генераторы сигналов, так и генераторы стандартных сигналов. Генераторы сигналов имеют большую среднюю выходную мощность (до 3 Вт) и используются для питания измерительных передающих антенн и других мощных устройств. Генераторы стандартных сигналов — маломощные источники с низким уровнем выходного напряжения (до 1 В) — применяют при испытаниях и настройке узлов радиоаппа­ратуры. Основные требования, предъявляемые к ГСС: высокие стабильность час­тоты и амплитуды выходного сигнала, малый коэффициент нелинейных искаже­ний.

В генераторах стандартных сигналов предусматривается возможность по­лучения амплитудной модуляции за счет использования как внешнего, так и внутреннего источников напряжения. Внутренняя модуляция обычно действу­ет на частотах 400 и 1000 Гц.

Генераторы сигналов высоких частот являются источниками не­затухающих или модулированных по амплитуде синусоидальных изме­рительных сигналов, параметры которых известны с нормируемой по­грешностью. Эти генераторы работают в диапазоне 100 (50) кГц — 30 (50) МГц и применяются в основном для настройки радиовещатель­ных приемников, для измерений характеристик четырехполюсников, для питания различных радиоустройств. Современные высокочастотные генераторы измерительных сигналов относятся к единой конструктив­ной серии генераторов на диапазон частот от 100 кГц до 1 ГГц, пред­назначенной для замены существующего парка генераторов указанного диапазона. Они выполняются на транзисторах и микросхемах с исполь­зованием широкополосного усиления и автоматических регулировок.

!!! Материальная часть – наизусть (как Устав в армии) !!!

Основным узлом генератора является задающий LC-reнератор. (генератор Г4-102) Диапазон генерируемых частот разбивается на ряд поддиапа­зонов, устанавливаемых подключением соответствующих катушек ин­дуктивности. Изменение частоты в пределах поддиапазона осуществ­ляется с помощью конденсатора переменной емкости. Резонансная ча­стота поддиапазонах не превышает 2—3, а генератора f= 1/ изменяется обратно пропорционально , поэтому перекрытие в поддиапазонов достигает 8. Малое перекрытие позволяет повысить точность градуировки шкалы частот и уменьшить погрешность ее установки. Амплитудная модуляция осуществляется в модуляторе М, пред­ставляющем собой широкополосный усилитель с нелинейным коэффи­циентом передачи, изменяемым модулирующим сигналом .

На выходе модулятора включен фильтр верхних частот. Входной сиг­нал UBX является суммой сигнала высокой (несущей) частоты uf, ампли­туда которого мала, и сигнала низкой (модулирующей) частоты uF с большой амплитудой. Напряжение модулирующего сигнала uF перемещает рабочую точку усилителя по характеристике 1 на участки с раз­ной крутизной, и на выходе модулятора образуется высокочастотный сигнал, амплитуда которого меняется По закону изменения модулирую­щего сигнала. Фильтр верхних частот не пропускает модулирующее напряжение, и на его выходе получается высокочастотный амплитудно-модулированный сигнал uвых

При таком способе модуляции ее коэффициент не зависит от уровня сигнала высокой частоты, а определяется только уровнем низкочастот­ного модулирующего сигнала. Последний поступает либо от внутрен­него генератора Г , вырабатывающего напряжение с часто­той 1 кГц, либо от внешнего источника с частотами от 50 Гц до 15 кГц. Максимальный уровень модулирующего сигнала, соответствующий мо­дуляции 90 %, устанавливается при выведенном низкочастотном атте­нюаторе Am и контролируется вольтметром через детектор (выпрями­тельный преобразователь ВПр1), когда переключатель П находится в по­ложении 2. Изменение коэффициента модуляции и отсчет его значения выполняется с помощью того же аттенюатора дискретно, через 10 %.




После модулятора высокочастотный сигнал поступает на вход ши­рокополосного усилителя У2, охваченного цепью автоматической регу­лировки уровня АРУ. В цепь АРУ входят выпрямительный преобразо­ватель ВПр2, дифференциальный усилитель постоянного тока ДУ и регулятор опорного напряжения РОН. На вход 1 ДУ поступает постоян­ное напряжение, пропорциональное среднему значению выходного сиг­нала, а на вход 2 — опорное напряжение. Разность этих напряжений является управляющим сигналом, воздействующим на модулятор так, что его коэффициент передачи изменяется и разность напряжений стремится к нулю.

Уровень сигнала на основном выходе можно изменять в пределах 0,5 мкВ—0,5 В, Для этого предусмотрен ступенчатый резистивный аттенюатор на П-образных звеньях, рассчитанный на на­грузку 50 Ом. Для уменьшения помех выходному сигналу, возникающих вследствие наличия внутренних и внешних электромагнитных полей, каждый элемент аттенюатора заключен в экранирующую камеру, а весь аттенюатор — в массивный металлический кожух. Плавное изменение выходного сигнала в пределах 10 дБ осуществляется с помощью опор­ного напряжения, получаемого от устройства РОН.

Следует иметь в виду, что в точке а выходное сопро­тивление усилителя У2 составляет доли ома, так как выходное напря­жение не зависит от изменения нагрузки и с помощью АРУ поддержи­вается постоянным. Для обеспечения конечного выходного сопротивле­ния генератора, необходимого для согласования генератора с нагрузкой, между выходом У2 и входом аттенюатора Am включен балластный ре­зистор Rб сопротивлением 50 Ом. Уровень выходного сигнала усили­теля У2 контролируется вольтметром через переключатель /7 в положе­нии 1. В положении переключателя 3 можно контролировать напряже­ние блока питания БП. В генераторах высокой частоты предусматри­вается вспомогательный выход через широкополосный усилитель У1,. На выходе имеется сигнал 1 В, который используется для точного измерения частоты внешним частотомером и для других целей.

Типовая относительная погрешность установки частоты 1 %; относительная нестабильность частоты 2,5.10-4 за 15 мин; погрешность установки коэффициента модуляции 10 %; погрешность установки опорного уровня 1 дБ (генератор Г4-102).


Генераторы ультравысоких частот (например, генератор Г4-107) работают на частотах до 400 (1000) МГц. Они применяются для настройки и испытаний аппаратуры вещания с частотной модуляцией (УКВ ЧМ), телевидения, радионавига­ции, телеметрии, подвижной радиосвязи и т. п. В них применяются несколько видов модуляции и манипуляции. Для формирования диапа­зона частот применяются задающие генераторы с перестраиваемыми LC-контурами в диапазоне выходных частот или с гетеродинным спо­собом переноса частоты. Получили распространение генераторы ультра­высоких частот с делением частот задающего генератора (рис. 4-8). Этот способ предпочтительнее, так как в задающем генераторе не нужны ком­мутирующие механизмы, конст­рукция упрощается, стабильность ча­стоты повышается.

Задающий генератор ЗГ вырабатывает частоты верхнего поддиапа­зона, например 200—400 МГц, легко перекрываемые с помощью конден­сатора переменной емкости. Переход к следующему поддиапазону осуществляется включением соответствующего числа делителей ча­стоты, каждый из которых делит частоту на два. Выходные сигналы делителей несинусоидальны, поэтому после каждого из них включены полосовые фильтры Ф. Выбор нужного поддиапазона производится с помощью переключателя П. Частотная модуляция осуществляется в задающем генераторе, к колебательному контуру которого подсоеди­нен параллельно варикап. Амплитудная модуляция происходит в ши­рокополосном модуляторе М. Импульсная модуляция предусмотрена в широкополосном выходном усилителе Ух. Независимое осуществле­ние различных видов модуляции в разных узлах генератора позволяет получать комбинированную модуляцию в любом сочетании. Имеется вспомогательный выход смодулированного сигнала через широкопо­лосный усилитель со-относительная погрешность установки частоты 1 %.; нестабиль­ность частоты (1-7- 1,5)* 10~4; погрешность установки модуляции 5— 10 %; диапазон модулирующих частот 50 Гц — 200 кГц).


^ Генераторы сверхвысоких частот

Генераторы сверхвысоких частот (СВЧ-генераторы) работают в диапазоне частот 1...140 ГГц. По типу выходного соединителя с исследуемой схемой они делятся на коаксиальные и волноводные, причем последние более высокочас­тотные. Для СВЧ-генераторов характерно однодиапазонное построение, с небольшим перекрытием по частоте (около октавы — 2 раза). Некалиброванная выходная мощность измерительного СВЧ-генератора — несколько Вт, а калиброванная достигает нескольких мкВт. Шкалы калиброванных аттенюа­торов СВЧ-генераторов градуируют в дБ, а ГСС — в дБ и мкВт.

Генераторы сверхвысоких частот используют для настройки радиоприем­ных устройств радио­локационных и радионавигационных станций, систем космической связи и спутникового вещания, измерения параметров антенн и т. д. Обобщенная структурная схема генератора СВЧ показана на рис.

Особенностями измерительных генераторов этого вида являются относи­тельная простота электронной части схемы и сложность механических узлов приборов. Схема генератора СВЧ включает собственно СВЧ-генератор, им­пульсный модулятор, измеритель малой мощности, частотомер и калиброван­ный аттенюатор. Все высокочастотные узлы генератора соединяются волно­водами.

Задающие СВЧ-генераторы измерительных приборов выполняют на отра­жательных клистронах с внешним или внутренним резонатором, на диодах Ганна, магнетронах, лавинно-пролетных диодах (ЛПД) или на лампах обрат­ной волны (ЛОВ).

В измерительных СВЧ-генераторах необходима тщательная экранировка, так как утечка мощности с ростом частоты возрастает. Провода питания выполняются в виде коаксиальных кабелей со специальным наполнением, хорошо поглощаю­щим энергию СВЧ-колебаний. Повышенные требования предъявляют и к источ­никам питания, так как активные элементы СВЧ-диапазона чувствительны к не­стабильности питающих напряжений.

!Отставить!


^ Цифровые измерительные генераторы низких частот


Цифровые генераторы низких частот по сравнению с аналоговыми харак­теризуются более эффективными метрологическими характеристиками: вы­сокими точностью установки и стабильностью частоты, малым коэффициен­том нелинейных искажений (строго синусоидальной формой), постоянством уровня выходного сигнала. Цифровые генераторы, получающие все более широкое распространение, удобнее аналоговых в эксплуатации: выше быст­родействие, существенно проще установка требуемой частоты, более нагляд­на индикация. Кроме того, цифровые генераторы имеют возможность автома­тической перестройки частоты по заранее заданной программе и применения в сочетании с цифровыми средствами обработки информации.

Действие цифровых генераторов основано на принципе формирования чи­слового кода с последующим преобразованием его в аналоговый гармониче­ский сигнал. Последний аппроксимируется функцией, моделируемой с помо­щью ЦАП.

Принципы аппроксимации

Самый простой вид аппроксимации — ступенчатая. Она заключается в представлении (замене) синусоидального колебания напряжением ступенчатой формы, весьма мало отличающейся от синусоидальной кривой (рис. 6.8, а).


Рис. 6. 8. Цифровой генератор низких частот: а — ступенчатая аппроксимация; б — упрощенная структурная схема

Аппроксимируемое гармоническое напряжение дискрети­зи­ру­ет­ся во времени (равномерная дискретизация с шагом ∆t) и в интерва­ле, разделяющем два соседних момента времени ti и ti+l, синусоидальное колебание заменяется напряжением постоянного тока — ступенькой, высота которой равна значению аппроксимируемого напряжения в момент ti т.е. . В результате такой замены вместо кривой синусоидальной формы получается ступенчатая линия, изображенная на рис. 6.8, а.

При имеющемся периоде Т гармонического колебания число ступенек р, приходящихся на один период, определяется шагом дискретизации: р = T/∆t. Если же из технических соображений число ступенек задано, то изменение шага дискретизации приводит к изменению периода формируемого напряже­ния, поскольку Т = p∆t.

Учитывая, что ti = i∆t, уравнение ступенчатой кривой можно представить в виде или с учетом значения р и соотношения ω = 2π/Т записать в следующем виде:



Кроме того, ступенчатая кривая тем точнее приближается по форме к си­нусоиде (уменьшается погрешность аппроксимации), чем больше выбрано число ступеней р. Когда это число достаточно велико, сформированное сту­пенчатое напряжение можно рассматривать как низкочастотное синусоидаль­ное напряжение, искаженное в небольшой степени высокочастотной аддитив­ной помехой.

Спектральный анализ напряжения, полученного путем ступенчатой аппрокси­мации, показывает, что его спектр содержит гармонику основной частоты и ряд высших гармоник. При этом оказывается, что ближайшей к основной высшей гармоникой будет составляющая с номером р-l, следующей — гармоника номе­ра р + 1, затем гармоники номеров 2р - 1 и 2р + 1 и т.д. Например, при p = 25 и частоте напряжения f основной гармоники ближайшими высшими гармониками будут 24-я, 26-я и 49-я, 51-я гармоники, т. е. напряжения частот 24f, 26f, 49f, 51f Такие соотношения между основной и высшими гармониками позволяют просто осуществить высококачественную фильтрацию, резко ослабляющую уровни выс­ших гармоник, т.е. получить синусоидальное напряжение, характеризуемое доста­точно малым коэффициентом нелинейных искажений.

Упрощенная структурная схема цифрового генератора, формирующего ступенчатую кривую напряжения, приведена на рис. 6.8, б. Импульсный кварцевый генератор вырабатывает периодическую последовательность коротких импульсов с периодом следования Т. На выходе делителя частоты с регулируемым коэффициентом деления g получается периодическая по­следовательность импульсов с периодом следования ∆t = gT, задающим шаг дискретизации. Импульсы поступают в счетчик емкостью р. Кодовая комби­нация, определяемая числом i импульсов, накопленных в счетчике, передастся в схему ЦАП. Последний вырабатывает напряжение, соответствующее числу i, т.е. . Таким образом формируются р ступенек аппрок­симируемой кривой. После накопления р импульсов счетчик переполняется и сбрасывается в нуль. С приходом (р + 1)-го импульса начинается формиро­вание нового периода ступенчатой кривой.

Частоту формируемого колебания при фиксированном числе ступенек р регулируют, изменяя шаг дискретизации ∆t, что достигается изменением ко­эффициента деления g делителя частоты.


^ Генераторы качающейся частоты и сигналов специальной формы


В измерительной технике часто используются источники гармонических сигналов, частота которых автоматически изменяется в пределах заданной полосы частот.


Генераторы качающейся частоты




К генераторам кача­ющей­ся частоты (ГКЧ — его устаревшее название свип-генератор) относятся источники гармонических колебаний со специаль­ным (линейным, логарифмическим и т. д.) законом автоматического измене­ния частоты в пределах заданной полосы качания. Полоса качания ∆f опреде­ляется как разность конечного fк и начального fн, значений частоты, т.е. ∆f= fк-fн .В зависимости от ее значения ГКЧ делятся на узкополосные (∆f не более 1 % максимальной частоты рабочего диапазона или поддиапазона), широкопо­лосные (∆f > 1 %) и комбинированные.

Упрощенная структур­ная схема ГКЧ (рис. 6.9) содержит источник моду­лирующего напряжения, задающий генератор, схему формирования частот­ных меток, выходной блок и цифровой индикатор уровня, фиксирующий вы­ходное колебание.

Основными параметрами данных генераторов являются частотные и ам­плитудные показатели. К первым относят диапазон рабочих частот, полосу качания, длительность автоматического качания частоты, нелинейность ее перестройки и т. д. Ко вторым — уровень выходной мощности (напряжения) при работе на согласованную нагрузку, неравномерность этого уровня при перестройке частоты и прочее. К генераторам качающейся частоты предъяв­ляются достаточно жесткие требования по линейности модуляционной харак­теристики, постоянству выходного уровня мощности и значению побочной модуляции.

Генераторы качающейся частоты строятся по прямому методу генерации и методу биений. В диапазоне от десятых и даже сотых долей герц до десят­ков мегагерц используют функциональные генераторы (рис. 6.6) с электрон­ным управлением частотой. При этом частоту таких генераторов можно регу­лировать, изменяя ток заряда (разряда) емкости интегратора. При наличии преобразователей цифровых кодов в сигналы управления исполнительными элементами, возможно дистанционное и программное изменение частоты.

В достаточно широких пределах автоматическое качание частоты без коммутации элементов колебательной системы легко реализуют в низкочас­тотных генераторах на биениях. При этом в качестве перестраиваемого гете­родина может служить LC-генератор с электронным управлением частотой.

В настоящее время разработаны несколько способов управления часто­той высокочастотных LC-генераторов. Практическое применение находит способ перестройки частоты путем изменения величины барьерной емкости p-n-перехода полупроводникового диода — варикапа. Емкость его p-n-перехода полностью или частично включается в цепь колебательного контура генера­тора. Модулирующее напряжение, воздействуя на диод изменяет его барьер­ную емкость, а, следовательно, и частоту генерируемых колебаний.

В области СВЧ генераторы качающейся частоты строят на маломощных клистронах, диодах Ганна, транзисторах и лампах обратной волны (ЛОВ).

При использовании клистронов линейная частотная модуляция колебаний достигается за счет использования пилообразного напряжения, подаваемого на один из его электродов (отражатель). Максимальная девиация частоты ограничивается диапазоном электронной перестройки частоты клистрона. К недостаткам ГКЧ на клистронах следует отнести наличие побочной ампли­тудной модуляции, возникающей из-за непостоянства выходной мощности в пределах зоны генерации.

Возможность электронной перестройки частоты генераторов СВЧ на диодах Ганна обеспечивается применением варикапов, изменяющих эквивалентную емкость резонатора или ферромагнитных сред в переменном магнитном поле (ЖИГ-сферы). Частотная модуляция колебаний ЛОВ осуществляется пилообразным напряжением, подводимым к ускоряющему электроду. Недостатком ЛОВ, так же как и клистрона, яв­ляется наличие побочной амплитудной модуляции. Кроме того, задающий генератор на ЛОВ имеет более громоздкую конструкцию и требует более сложных источников питания. Основное достоинство ЛОВ – чрезвычайно широкий диапазон перестройки по частоте (порядка октавы).


^ Генераторы сигналов специальной формы

К генераторам сигналов специальной формы относятся источники одиночных или периодических импульсных сигналов, форма которых может быть и прямо­угольной, и отличной от нее. Рассмотрим функциональные генераторы, кото­рые в широком диапазоне частот могут генерировать синусоидальное и пило­образное напряжение, а также импульсное напряжение треугольной, прямо­угольной и других специальных форм. Генераторы этого типа допускают плавную регулировку частоты колебаний в пределах от сотых долей герц до единиц мегагерц. Имеется возможность модулировать (применяется и термин «свипировать») частоту колебаний напряжением от внешнего источника. Ге­нераторы этого типа достаточно стабильны и просты в обслуживании.

Поскольку основным элементом функционального генератора является интегратор на ОУ, то частоту колебаний на выходе прибора можно регулиро­вать, изменяя значение тока в зарядной (входной) RС-цепи интегратора. В генераторах предусматривается возможность регулировки симметричности формы выходного напряжения. В результате можно формировать треуголь­ное напряжение с разным наклоном сторон или несимметричное прямоуголь­ное напряжение. При наличии интерфейса функциональные генераторы мож­но использовать в составе автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов и измерительных систем. При этом все парамет­ры выходных сигналов устанавливают дист