Лекция 24. Генераторы электрических сигналов
которого энергия внешних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой частоты, формы и мощности. Электронные генераторы входят в состав структурных схем многих электронных приборов. Они используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, телевизорах, радиоприемниках и т.д.
Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи.
По назначению генераторы делятся на технологические, измерительные, медицинские, связные.
По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических сигналов.
По выходной мощности генераторы делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (от 1 до 100 Вт) и мощные (более 100 Вт).
По частоте генераторы делят на инфранизкочастотные (менее 10 Гц), низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц), СВЧ (выше 100 МГц).
По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые, транзисторные, на ОУ, на тунельных диодах, динисторах.
По типу частотно-избирательных цепей ОС различают генераторы LC, RC и RL типа.
2. Принципы построения генераторов
Обобщенная структурная схема генератора электрических сигналов должна содержать источник питания и преобразователь энергии источника в электрические колебания. Схема преобразователя приведена на рис. 24.1, а. Она содержит усилитель, частотно-избирательную цепь положительной обратной связи (ПОС), а также цепь ООС.
Обозначим модуль коэффициента усиления усилителя – К, модуль коэффициента передачи цепи ПОС – В, а модуль коэффициента передачи цепи ООС – М. По своему составу структурная схема генератора во многом соответствует схеме избирательного усилителя. Отличие схем заключается в количественных соотношениях для значений коэффициентов К, В и М, а также в требованиях к ФЧХ цепи ПОС.
Определим требования к этим параметрам генератора. Для этого функционирование генератора разделим на два этапа: этап возбуждения и этап стационарного режима. На этапе возбуждения в генераторе возникают колебания, и амплитуда их постепенно нарастает (рис. 24.1, б). На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется, и генератор переходит в стационарный режим.
На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь ПОС. Эта цепь определяет условия возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний их амплитуда нарастает до тех пор, пока действие ООС не ограничит значение К. На этапе возбуждения цепь ООС не работает.
Ц епь ПОС, как правило, выполняется на пассивных R, L, C элементах, поэтому она имеет потери. Эти потери компенсируются усилителем.
Рассмотрим процессы возникновения и установления колебаний на выходе генератора. При включении питания в схеме возникнут колебания, обусловленные переходными процессами в транзисторах или ОУ, зарядом емкостей или индуктивностей. Эти колебания поступают на вход усилителя в виде сигнала На выходе усилителя формируется сигнал
Сигнал поступает в цепь ПОС и ослабляется в раз. На выходе цепи ПОС он имеет значение
и вновь поступает на вход усилителя, т.е.
Из (24.1) следует, что если амплитуда колебаний на выходе усилителя будет нарастать. При колебания затухают. Когда
, (24.1) принимает вид:
При соблюдении условия (24.2) схема генератора переходит в ста-ционарный режим. Условие (24.2) распадается на два условия, которые называются условиями баланса амплитуд и фаз:
Условие баланса амплитуд показывает, что в режиме возбуждения колебаний коэффициент усиления усилителя должен быть больше коэффициента затухания цепи ПОС, т.е.
Для перехода к стационарному режиму в схему включается цепь с ООС. Она изменяет значение до точного соблюдения баланса амплитуд.
Условие баланса фаз означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен 2nπ, где n – любое целое число (как правило, n=1). Условие баланса фаз позволяет определять частоту генерируемых колебаний. Если баланс фаз выполняется только на одной частоте, то генерируются гармоническое колебание. Если условие баланса фаз выполняется для ряда частот, то колебания будут негармоническими.
Раздел III измерительные генераторы
1. Назначение, классификация и основные характеристики
Измерительных генераторов сигналов
Измерительные генераторы (автогенераторы) – источники, вырабатывающие стабильные испытательные сигналы с известными параметрами, частотой, напряжением (мощностью) и формой.
Измерительные генераторы сигналов (ИГ) отличаются от обычных генераторов возможностью точной установки и регулировки в широких пределах выходных параметров, их высокой стабильностью и наличием измерительных приборов, контролирующих определенные параметры сигналов, возможностью совместной работы с другими СИ и программного управления.
В соответствии с ГОСТ 15094-86, по каталоговой классификации радиоизмерительных приборов все генераторы относятся к группе Г (таблица 3.1).
Назначение измерительных приборов подгруппы «г»
Установки для поверки измерительных генераторов
Генераторы шумовых сигналов
Генераторы сигналов низкочастотные
Генераторы сигналов высокочастотные
Генераторы сигналов специальной формы
Генераторы качающейся частоты
Генераторы испытательных импульсов
Измерительные генераторы классифицируются по форме сигнала на выходе, частотному диапазону и типу индексации.
В зависимости от формы сигнала различают генераторы гармонические, импульсные и шумовые.
По частотному диапазону генераторы подразделяют на низкочастотные (ГНЧ), высокочастотные (ГВЧ) и сверхвысокочастотные (ГСВЧ).
По виду индикатора различают аналоговые и цифровые генераторы.
Независимо от вида индикации, частотного диапазона и формы выходного сигнала измерительный генератор включает в себя задающий генератор – усилитель с положительной обратной связью – и источник питания постоянного тока. При этом задающий генератор определяет форму и частоту выходного сигнала, зависящие от его параметров. Градуировка по напряжению отсчетных устройств генераторов производится при согласованной нагрузке, то есть при равенстве сопротивления нагрузки Rн внутреннему сопротивлению генератора Rг.
2. Низкочастотные аналоговые генераторы гармонического сигнала (г3)
К низким относятся инфразвуковые частоты (менее 20 Гц), звуковые частоты (от 20 Гц до 20 кГц) и ультразвуковые частоты (от 20 до 200 кГц).
Возможно расширение частотного диапазона в сторону больших значений, поэтому не следует ориентироваться только на буквенно-цифровой шифр генераторов – Г3.
Низкочастотные генераторы являются источником синусоидальных сигналов. Однако некоторые модели генераторов наряду с синусоидальным сигналом могут вырабатывать сигнал формы меандр. Если на лицевой панели прибора форма сигнала не указана, это означает, что генератор является источником сигналов только синусоидальной формы.
Различают следующие типы задающих генераторов:
на биениях, используемые обычно в образцовых генераторах;
типа RC, применяемые в низкочастотных генераторах;
типа LC, используемые в высокочастотных и сверхвысокочастотных генераторах.
Рис. 3.1. Пояснение регулировки частоты в RС-генераторе
Колебательная система задающих генераторов типа RC состоит из резистора и конденсатора, и частота колебаний определяется в этом случае формулой
(3.1)
Частотные диапазоны низкочастотных генераторов подразделяются на поддиапазоны, число которых может достигать четырех (иногда – пяти). Каждому такому поддиапазону соответствует вполне конкретное сопротивление резистора, а для плавной регулировки частоты, используется один конденсатор переменной емкости, обслуживающий все поддиапазоны (рис. 3.1). Этот конденсатор снабжен градуированной шкалой плавной установки частоты в герцах.
Переключатель «Множитель частоты» обеспечивает дискретное (декадное) изменение частоты с помощью набора резисторов.
Для контроля установки значения напряжения на выходе генератора используется многопредельный вольтметр, отградуированный в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения на согласованной нагрузке.
Генераторы гармонических колебаний
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
— импульсных (релаксационных) колебаний прямоугольной, треугольной, пилообразной формы и т.п.
— генераторы сигналов специальной формы
— амплитудно-, частотно-, фазомодулированных сигналов
— тестовых двоичных последовательностей
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
— погрешность установки частоты
— погрешность установки выходного напряжения
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)
— устройства, обеспечивающие развязку с нагрузкой
— устройства, обеспечивающие заданную мощность и выходное сопротивление.
Рассмотрим принципы построения функциональной схемы измерительных генераторов.
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.
Построение 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:
— 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.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
3.2 Измерительные генераторы
Измерительные генераторы (ИГ) – это источники стабильных испытательных сигналов с известными параметрами (частотой, напряжением и формой и т. д.). Они применяются для исследований и испытаний радиоэлектронной аппаратуры. ИГ сигналов обладают возможностью точной установки и регулировки выходных параметров колебаний (частоты, формы и уровня напряжения или мощности) в широких диапазонах. Параметры ИГ имеют высокую стабильность. Как правило, измерительные генераторы оснащаются встроенными измерительными приборами, которые позволяют контролировать установки сигналов. Многие ИГ имеют возможность дистанционного управления ими через канал общего пользования.
В зависимости от формы выходных сигналов различают ИГ гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний.
По частотному диапазону генераторы делятся: на инфранизкочастотные (0,01. 20 Гц), низкочастотные (20. 300 000 Гц), генераторы высоких частот (0,3. 300 МГц), сверхвысокочастотные (СВЧ, свыше 300 МГц). Особую группу представляют генераторы случайных колебаний (сигналов) – измерительные генераторы шумовых сигналов. В настоящее время также широко применяются генераторы псевдослучайных и линейно-изменяющихся напряжений, которые относятся к релаксационным генераторам.
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.
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 [3].
Генераторы гармонических колебаний. 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 [3].
Рассмотрим основные характеристики низкочастотных ИГ:
- Коэффициент нелинейных искажений:
где – действующее значение напряжения -й гармоники.
- Коэффициентом гармоник:
- Коэффициент перекрытия:
- Стабильность частоты:
где – номинальное значение частоты генератора; – частота генератора, измененная внешними условиями.
Абсолютная погрешность установки частоты для генераторов низких частот определяется выражением
где – относительная погрешность: – минимальное значение абсолютной погрешности установки частоты, Гц.
Низкочастотные ИГ имеют малое выходное сопротивление, значение которого можно регулировать для согласования с сопротивлением внешней нагрузки.
На рис. 3.3 показана структурная схема ИГ низких частот, которая состоит из задающего генератора (ЗГ), выходного усилителя (ВУ), аттенюатора, электронного вольтметра (V), согласованного трансформатора (СТ).
Задающий генератор является первичным источником стабильных по частоте и амплитуде синусоидальных колебаний в требуемом диапазоне частот. В зависимости от используемой схемы задающие генераторы делятся на несколько типов. В настоящее время наиболее часто используются LC-генераторы, RC-генераторы и генераторы в биениях.
Рассмотрим технические характеристики и возможности генератора сигналов низкочастотного Г3-56/1 [10]. Диапазон частот данного генератора составляет 20…200 000 Гц. Основная погрешность по частоте не превышает в диапазоне частот 200 Гц – 20 кГц и в диапазоне 20–200 Гц и 20–200 кГц, где – номинальное значение частоты, установленное по шкале генератора. Изменение частоты за любые 3 часа работы после самопрогрева генератора в течении 30 минут, не превышает Гц. Выходное напряжение изменяется плавно на несимметричном и симметричном выходах, в пределах не менее 20 дБ. Коэффициент гармоник генератора на несимметричном выходе на нагрузке 600 Ом не превышает 0,5% при выходной мощности 4 Вт в диапазоне частот свыше 200 Гц до 20 кГц. Структурная схема генератора Г3-56/1 показана на рис. 3.4.
Задающий генератор собран по RC-схеме на трех лампах с использованием положительной и отрицательной обратной связи (рис. 3.5).
Положительная обратная связь является частотнозависимой. Это необходимо для выполнения условия самовозбуждения только на одной резонансной частоте , определяемой параметрами схемы.
Частота настройки RC-схемы определяется выражением
где R1, R2, C1, C2 – сопротивления и емкости фазирующей цепи ( – цепи) (см. рис. 3.5).
Цепь положительной обратной связи ( -цепь) создает наименьшее затухание на частоте баланса RC-цепи и нулевой сдвиг фаз между входным и выходном напряжениями задающего генератора.
Высокочастотные генераторы. Для генераторов высоких частот характерны работа в широких диапазонах частот и разнообразие видов модуляции и манипуляции выходных сигналов. Эти приборы применяют для регулировки, настройки, испытаний и исследования аппаратуры в радиовещании, телевидении, радиосвязи, радиотелеметрии, радиолокации, радионавигации, гидроакустики и других областях техники. Структурная схема генераторов высоких частот показана на рис. 3.6. Рассмотрим технические данные и возможности генератора сигналов Г4-129. Данный прибор обеспечивает следующие режимы работы [18]:
– внутренняя и внешняя частотная модуляция синусоидальным сигналом;
– внутренняя и внешняя амплитудная модуляция синусоидальным сигналом;
– внутренняя амплитудно-импульсная модуляция «меандром» 1 кГц и внешняя амплитудно-импульсная модуляция;
– синхронизация частоты внешним синхронизатором в режимах немодулированных колебаний.
Диапазон частот генератора составляет 310–1200 МГц. Основная погрешность установки частоты в режимах немодулированных колебаний, АМ, ЧМ, ИМ не более ±(0,05±1/f)%, где f – установленное значение частоты в МГц. Нестабильность частоты за любые 15 мин. Работы генератора после самопрогрева в течение 30 мин. В нормальных условиях не более ±2,5·10 -4 от несущей частоты.
Генераторы сверхвысоких частот (СВЧ). Генераторы СВЧ предназначены для проверки чувствительности приемных устройств, измерения параметров четырехполюсников, а также для исследования полос пропускания трактов и приборов. Характеристики сигналов, вырабатываемых данными генераторами, определяются СВЧ задающим генератором (ЗГ). В качестве СВЧ ЗГ используют так называемые отражательные клистроны [8].
Выход СВЧ генератора с нагрузкой соединяется при помощи коаксиальных кабелей (на частотах < 3000 МГц) или волноводов (в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн).
Структурная схема типового СВЧ генератора представлена на рис. 3.7.
Рассмотрим принцип действия генератора сигналов Г4-78, выполняющего функции источника СВЧ сигнала, калиброванного по частоте, уровню выходной мощности и по параметрам импульсной модуляции [19]. Прибор состоит из следующих основных блоков: генератора СВЧ (блока ВЧ), модулятора, индикатора мощности и блока питания.
Генератор СВЧ является узлом прибора, определяющим его основные характеристики: диапазон частот, входную мощность, качество импульсной модуляции.
Данный генератор может работать в следующих режимах:
– режим немодулированных колебаний (непрерывной генерации);
– режим внешней частотной модуляции и синхронизации частоты;
– режим внешней амплитудно-импульсной модуляции модулирующими импульсами отрицательной полярности;
– режим внешней амплитудно-импульсной модуляции модулирующими импульсами положительной полярности;
– режим внутренней амплитудно-импульсной модуляции меандром.
Измерение сигнала в режиме непрерывной генерации осуществляется встроенным индикатором мощности. Индикатор мощности является самостоятельным блоком и позволяет контролировать выходную мощность генератора в диапазоне от -43 дБ до -22 дБ относительно 1 Вт. Диапазон частот генератора составляет 1,16–1,78 ГГц.
Импульсный режим работы генератора СВЧ осуществляется с помощью модулятора путем подачи модулирующих напряжений в цепь отражателя клистрона. Питание прибора производится от сети 220 вольт 50 Гц с содержанием гармоник до 5 %.
Прецизионные измерительные генераторы. В области магистральной связи с высоким уплотнением каналов необходимы источники измерительных сигналов в широком диапазоне частот с очень малой абсолютной погрешностью частот (0,1…0,001 Гц) и очень малой нестабильностью от 10 -7 за 15 мин. До 10 -10 за 34. Такие приборы получили название генераторов с диапазонно-кварцевой стабилизацией или синтезаторов частоты. Структурная схема прецизионного измерительного генератора показана на рис. 3.8.
Синтезаторы частот вырабатывают набор спектрально чистых, стабильных по частоте сигналов с заданной дискретностью по частоте и в заданном диапазоне частот. Например, синтезатор частоты Ч6-31 [20] генерирует сигналы в диапазоне 50-49999999,99 Гц с шагом 0,01 Гц. Погрешность установки номинального значения частоты при выпуске прибора после 2 часов самопрогрева не более ±5·10 -8 . Сигнал необходимой частоты на выходе синтезатора получается путем сложного преобразования частоты сигнала кварцевого генератора. В процессе преобразования частоты выполняются четыре арифметических действия: сложение, вычитание, умножение и деление.
Кварцевый генератор является основой синтезатора частот. Высокая стабильность частоты колебаний, вырабатываемых кварцевым генератором обеспечивается системой термостатирования. Эта система поддерживает температуру кварцевого резонатора с погрешностью порядка 0,1 ºС. Технические характеристики высокостабильного кварцевого генератора М32008, являющегося типичным представителем своего класса представлены в табл.3.1 [21].
Специализированные высокостабильные кварцевые генераторы позволяют обеспечить долговременную нестабильность частоты порядка (2…5)·10 -8 за год, не более.
Номинальная частота, МГц
Выходное напряжение на внешней активной нагрузке, мВ
Долговременная нестабильность частоты за год через один месяц работы
Отклонение частоты в интервале рабочей температуры от -30 ˚С до +70 ˚С
Блок опорных частот формирует несколько сигналов опорных частот, которые одновременно поступают на блок синтеза частоты. Данный блок содержит умножители и делители частоты. Блок синтеза частоты вырабатывает набор частот с заданной дискретностью и в заданном диапазоне. Интерполяционный генератор позволяет плавно перестраивать частоту выходного сигнала в пределах шага дискретности по частоте. Блок управления переключением частот позволяет выполнять как ручное, так и дистанционное управление частотой. Таким образом, синтезаторы частот создают на выходе сигнал с программируемым значением частоты.
Кроме характеристик, общих для всех измерительных генераторов, синтезаторы частот характеризуются дискретностью установки частоты, ослаблением уровня побочных составляющих и шумов в выходном сигнале относительно уровня выходного напряжения, временем установления сигналов при переключении частоты.
Генераторы импульсных сигналов. Измерительные (генераторы импульсных сигналов) ГИС прямоугольной формы применяют при исследованиях, испытаниях, регулировке и настройке импульсных электронных систем, при снятии переходных характеристик различных устройств. ГИС также могут использоваться при испытании и настройке широкополосных усилителей, при испытании вычислительных устройств и интегральных микросхем.
ГИC выполняют функции задающих (тактирующих) генераторов в разнообразных импульсных устройствах, а также источников управляющих импульсов для коммутации возможных электронных схем и устройств.
По назначению эти генераторы делятся на четыре группы:
I – с точной калибровкой амплитуды;
II – с точной калибровкой длительности и временных сдвигов;
III – с точной калибровкой частоты следования;
IV – универсальные с одинаковой точностью основных параметров.
По точности они делится на семь классов: 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1; 3; 10. Выпускаемые промышленностью универсальные генераторы соответствуют классам точности 1, 3 и 10. У генераторов I, II , III групп класс точности относится к параметру, определяющему группу назначения. Остальные параметры: определяются техническими требованиями или техническими условиями. Структурная схема ГИС представлена на рис. 3.9.
На данном рисунке ЗГ – задающий генератор, являющийся первичным источником периодической последовательности импульсных сигналов. Блок синхронизации использует сигналы от ЗГ для формирования синхронизирующих импульсов, которые в свою очередь участвуют в формировании различных параметров выходного сигнала. Большинство выпускаемых промышленностью генераторов имеют выходы синхронизирующих импульсов. Блок задержки импульсов служит для запуска формирователя длительности основного импульса с задержкой относительно момента появления импульса ЗГ. Выходной формирователь вырабатывает импульсы определенной формы и длительности работает в ждущем режиме и запускается импульсами ЗГ.
Выходной блок служит для создания требуемого уровня напряжения выходного сигнала, а также для преобразования полярности импульсов и согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки. Основными сигналами импульсных генераторов являются импульсы прямоугольной формы.
Промышленностью выпускаются различные типы генераторов импульсных сигналов общего применения, вырабатывающих импульсы длительностью от нескольких наносекунд до единиц секунд с частотой следования от единиц герц до десятков мегагерц и амплитудой до 200 В [22].
Генераторы сигналов специальной формы. Генераторы сигналов специальной формы являются разновидностью импульсных генераторов. Основными сигналами импульсных генераторов являются импульсы прямоугольной, трапецеидальной, экспоненциальной форм. Кроме того, имеются генераторы для настройки каналов связи, предназначенных для передачи дискретной информации и сигналов телевидения, вырабатывающие пилообразные, треугольные, колоколообразные, косинусквадратные и специальные формы импульсов.
Генераторы сигналов специальной формы используются для моделирования входных воздействий при настройке и испытаниях каналов связи, медицинской и геофизической аппаратуры.
Для создания генераторов сигналов специальной формы широко применяют схемы на основе интегратора с нелинейной обратной связью через какой-либо пороговый элемент (например, триггер Шмидта). Такие генераторы носят название функциональных генераторов. Структурная схема функционального генератора представлена на рис. 3.10. В процессе интегрирования постоянного напряжения, присутствующего на выходе триггера Шмидта, интегратор формирует линейно изменяющееся напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера, триггер переключается, его выходное напряжение меняет знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не станет равным порогу срабатвания триггера. Далее этот процесс периодически повторяется и на выходе формируется симметричное напряжение треугольной формы с одинаковым временем нарастания и спада. Частота формируемого напряжения может быть представлена в диапазоне частот от инфранизких до нескольких десятков килогерц путем изменения постоянной времени интегратора.
На основе полученного треугольного напряжения можно сформировать напряжения трапецеидальной, колоколообразной, синусоидальной форм. Для формирования сигналов произвольной формы также используются генераторы, работающие на основе кусочно-линейного синтеза сигнала. В основе таких устройств лежит генератор линейно изменяющегося напряжения, длительностью и амплитудой которого можно управлять. Из серии элементарных сигналов, вырабатываемых таким генератором можно сформировать сигнал произвольного вида. Погрешность формирования сигнала, связанная с его кусочно-линейной аппроксимацией, определяется общим числом используемых элементарных сигналов и дискретностью установки их параметров [22].
Генераторы шумовых сигналов. Генераторы шумовых сигналов (шумовые генераторы) вырабатывают флуктуационные напряжения с определенными (заданными) вероятностными характеристиками.
Генераторы шумовых сигналов используют как источники флуктуационных помех с известными характеристиками при измерении пороговой чувствительности антенн, усилительных и радиоприемных устройств, при измерении нелинейных искажений, как имитаторы сигнала многоканальной связной аппаратуры и т. п.
Спектр шумовых сигналов занимает широкую полосу частот. Если этот спектр равномерен на всех частотах от 0 до ∞, то такой шум называется «белым» [23].
Математическая модель «белого» шума, описывается средней мощностью спектральной плотности . Корреляционная функция белого шума имеет вид
При корреляционную функцию белого шума можно записать как
где – дельта функция. Таким образом, корреляционная функция белого шума представляет собой дельта-функцию в начале координат. Коэффициент корреляции для белого шума определяется как
т.е. белый шум характеризуется тем, что его значения в любые два (даже сколь угодно близкие) моменты времени некоррелированны. Математическое ожидание белого шума, равно 0.
Генераторы шумовых сигналов вырабатывают флуктуационные напряжения (случайные сигналы или помехи) с определенными вероятностными характеристиками. Их применяют в качестве имитаторов при исследовании или измерении предельной чувствительности усилителя, коэффициента шума радиоприемников, исследования помехоустойчивости различных электронных, автоматических и радиотехнических систем и т.д.
К основным метрологическим характеристикам генераторов шумовых сигналов можно отнести [24, 25]:
– неравномерность спектральной плотности мощности шума в заданной полосе частот (шум должен быть близок к «белому»);
– максимальное значение выходного напряжения (мощности);
– пределы регулировки выходного напряжения (мощности) шума;
– погрешность установки выходного напряжения (мощности) шума;
– нестабильность выходного напряжения (мощности) шума (с течением времени, при изменении внешних условий и различных влияющих величин).
Типичным представителем своего класса является генератор шумовых сигналов Г2-59. Его диапазоны рабочих частот составляют (2–2·10 4 ) Гц, (2–10 5 ) Гц, (2–3·10 5 ) Гц, (2–6·10 5 ) Гц, (2–6,5·10 6 ) Гц, выходное напряжение Uвых= ±3 В на частотах до 6·10 5 Гц, выходное сопротивление Rвых=(50±5) Ом.
В некоторых случаях могут быть предъявлены определенные требования к закону распределения шумового сигнала. Для решения многих измерительных задач достаточно сформировать шумовой сигнал, закон распределения которого близок к нормальному. Формирование шумового сигнала с существенно неравномерным спектром производится с помощью внешних фильтров.
Обобщенная структурная схема генератора шумовых сигналов показана на рис. 3.11. Она во многом подобна схеме любого другого измерительного генератора.
Основным узлом шумового генератора является задающий генератор (первичный источник шумового сигнала). Схемное решение задающего генератора в значительной степени определяет метрологические свойства всего прибора. Его сигналы должны иметь равномерную спектральную плотность мощности по всей требуемой полосе частот. В задающем генераторе используются физические явления, при которых возникают достаточно интенсивные шумы со статистическими характеристиками и параметрами, поддающимися несложному математическому анализу.
В измерительной практике общепринято подразделять шумовые генераторы по диапазону частот и по источникам шума. По диапазону частот генераторы шумовых сигналов делятся на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.
Рассмотрим некоторые из источников шумовых сигналов, которые могут быть использованы в качестве задающего генератора.
Полупроводниковые шумовые диоды (лавинно-пролетные диоды, туннельные диоды). Флуктуация тока в них возникает за счет дискретности заряда носителей (электронов и дырок) и прерывности эмиссии носителей. Первая причина порождает дробовой шум, а вторая – полупроводниковый. Основным недостатком полупроводниковых шумовых диодов является значительный разброс шумовых характеристик.
Вакуумные шумовые диоды. При работе в режиме насыщения вакуумные шумовые диоды обладают шумовыми свойствами, основанными на явлении дробового эффекта – непрерывного во времени вылета электронов с поверхности накаленного катода. Вакуумный шумовой диод может служить широкополосным источником шума, в диапазоне от нескольких сотен до 300…400 МГц.
Нагретый проволочный резистор. При нагревании до определенной температуры проволочный резистор может служить источником теплового шума, среднеквадратическое значение напряжения которого рассчитывается по формуле
где kБ = 1,38 10 -23 Вт/(Гц·К) – постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; R – сопротивление резистора при Т = 290 К; ΔF – эквивалентная полоса, пропускания. Интенсивность шума, проволочного резистора с любым сопротивлением при нормальной температуре равна kБ·T = 1,38·10 -23 ·290≈4·10 -21 Вт/Гц.
Газоразрядные трубки. Наполненные газом (аргон; неон, гелий при давлении 3. 30 мм рт. ст.) стеклянные трубки при использовании разряда газа, генерируют шум в диапазоне СВЧ от 500 МГц до 12 ГГц.
Фотоэлектронный умножитель. Шумовое свойство фотоэлектронного умножителя обусловливается дробовым эффектом в полосе от 2÷3 Гц до 6 МГц. Напряжение шума, может составить несколько сотен вольт. Промышленностью выпускается генератор шума, с видеочастотным диапазоном от 50 Гц до 6 МГц, среднеквадратичным напряжением шума 0,75 В и выходным сопротивлением 75 Ом.
В последнее время в качестве источников шума широко используются генераторы псевдослучайных сигналов. Трудности, связанные со стабилизацией характеристик шумовых сигналов (обеспечения условия стационарности), обусловливают поиск новых путей создания генераторов шумовых сигналов. Одним из таких путей является использование так называемых псевдослучайных сигналов, формируемых с помощью регистров сдвига, охваченных логическими обратными связями. Псевдослучайные сигналы в принципе являются периодическими и регулярными, но имеют достаточно сложную структуру и по своим характеристикам близки к случайным. Для решения многих практических задач псевдослучайные сигналы полностью заменяют случайные. При этом они имеют чрезвычайно высокую стабильность характеристик и достаточно просто формируются с помощью цифровых логических схем. Для контроля и регулировки характеристик псевдослучайных сигналов можно использовать специализированные вычислительные устройства на основе микропроцессоров.
Шумовые сигналы также можно формировать на основе цифро-аналогового преобразования случайных последовательностей чисел, сформированных программным способом. Разнообразные алгоритмы формирования обеспечивают генерирование псевдослучайных последовательностей (ПСП) с заданными свойствами. Достаточно простые алгоритмы ПСП [26], реализуемые на ЭВМ с длиной слова 32 бит позволяют вырабатывать последовательности с равномерным спектром и практически независимыми отсчетами. Период формируемых последовательностей составляет 10 6 отсчетов, что является достаточным для большинства технических приложений.