Электронные приборы
Лекция 7
Тема:-Электронные приборы
Генераторы
При наладке электронной аппаратуры и систем автоматики необходимо иметь источники напряжения управляемой амплитуды и формы выходного напряжения. К разряду стандартных испытательных сигналов относятся генераторы, формирующие следующие виды электрических сигналов:
1. гармонический сигнал 
2. гармонический сигнал, модулированный гармоническим сигналом 
3. сигнал периодически изменяющейся (качающейся) частоты 
4. импульсные сигналы прямоугольной, треугольной, пилообразной формы
5. сигналы специальной формы.
Рекомендуемые материалы
Управляемые генераторы могут являться составной частью электронной и управляющей аппаратуры, выполняя функции время задающих элементов.
-37-
Основные требования, предъявляемые к генераторам.
1. работоспособность,
2. надежность функционирования,
3. стабильность параметров выходных сигналов (частоты, амплитуды, формы, выходного сопротивления),
4. независимая регулировка параметров,
5. жесткая выходная характеристика,
6. удовлетворительные весовые, габаритные и эстетические характеристики.
Перечисленные требования означают следующее:
Работоспособность – способность генератора выполнять функцию формирования сигнала заданной формы во всех условиях работы.
Надежность – вероятность безотказной работы в течение заданного времени.
Стабильность – поддержание всех параметров формируемого генератором сигнала в течение заданного интервала времени в любых условиях работы, допускаемых техническими условиями, по которым прибор аттестован.
Независимость регулировки параметров выходных сигналов генератора расширяет область его применения.
Жесткость выходной характеристики – свойство генератора не изменять амплитуду, частоту и форму выходного сигнала при изменении выходного тока.
Удовлетворительные весовые и габаритные характеристики это вес и габариты прибора. Позволяют размещать прибор в системах ограниченного объема и передвижных установках.
Функциональная схема генератора
Генератор, формирующий сигналы одной формы можно представить функциональной схемой, показанной на Рис.1.
Рис.1. Структурная схема генератора электрических сигналов
На приведенной схеме тактовый генератор формирует последовательность периодического сигнала с частотой, устанавливаемой органом управления - «Задатчик частоты». Формирователь преобразует тактовые сигналы в сигнал требуемой формы. Усилитель обеспечивает необходимую амплитуду и мощность выходного сигнала. Значение требуемой амплитуды регулируется органом управления – «регулировка выходного напряжения. К выходу усилителя подключен формирователь выходного сопротивления генератора. Значение выходного сопротивления задается органом управления – «регулировка выходного сопротивления. Сигнал с генератора подключается к нагрузке с помощью выходного соединителя.
-38-
 |
Тактовый генератор, как правило, является генератором с самовозбуждением. В основе такого генератора лежит усилитель, охваченный положительной обратной связью. Принцип действия генератора с самовозбуждением поясняется схемой Рис.2.
Рис.2. Структурная схема генератора с самовозбуждением.
На вход усилителя, имеющего коэффициент усиления k, поступает напряжение входного сигнала UВХ, усиливается им до напряжения UВЫХ = kUВх, и через сопротивление обратной связи ZОС вновь подается на вход усилителя. Сопротивление обратной связи ослабляет выходной
сигнал, поэтому на вход усилителя подается напряжение Uос = 
UВЫХ = UВХ. После усиления выходной сигнал принимает значение – UВЫХ = kUВЫХ. Для того, чтобы это уравнение превратилось в тождество необходимо, выбрать параметры усилителя и сопротивления обратной связи, при которых k = 1. Это одно из условий обеспечивающее постоянство амплитуды выходного сигнала. Условие необходимое, но не достаточное для формирования гармонического сигнала. Для получения гармоническогосигнала необходимо обеспечить сдвиг фаз сигнала обратной связи и входного сигнала определяемый из условия 
. Подробно о работе генераторов вы узнаете из курса электроники.
 |
Рис. 3. Схема электрическая генератора синусоидальных колебаний с резонансным параллельным LC – контуром в цепи обратной связи.
Для формирования синусоидальных сигналов заданной частоты используются колебательные RC, LC - цепи и пьезоэлектрические элементы. RC - цепи в измерительных генераторах используются редко, так как обладают низкой стабильностью параметров формируемого сигнала. Резонансные LC – контуры имеют более высокую стабильность, особенно, в сочетании с пьезоэлектрическими элементами. Схема задающего генератора с резонансным LC – контуром приведена на Рис. 3.
Генератор работает следующим образом. При включении питания ключом Кл, по цепям генератора потекут токи, и на выходе усилителя К появится напряжение. По цепи обратной связи потечет ток Iз. Токи в параллельных ветвях контура Ic, IL сдвинуты по фазе друг относительно друга, что приводит к возникновению колебаний на собственной резонансной
-39-
частоте контура fрез =
. Часть напряжения, резонансного контура подается на вход усилителя. Коэффициент обратной связи задается отношением индуктивностей катушек L1,L2. Для формирования сигнала синусоидальной формы необходимо обеспечить выполнение стандартных условий: - 
и - 
. Настройка частоты генератора производится изменением номинальных значений емкости или индуктивности, составляющих резонансный контур. Современные операционные усилители имеют очень высокий коэффициент усиления - К, поэтому удовлетворить первое требование не составляет труда. Для проведения точных (прецизионных) измерений стабильность простейших генераторов на базе колебательного контура недостаточна.
Генераторы на базе пъезо – кристаллов обладают высокой временной стабильностью (порядка 10-6 Гц/сутки), что позволяет проводить измерения с высокой точностью. Схема такого генератора приведена на Рис.4.
 |
Рис. 4. Схема электрическая генератора с кварцевой стабилизацией частоты.
Принцип работы генератора с кварцевой стабилизацией не отличается от принципа работы генератора с резонансным контуром. При включении напряжения питания на кварцевый кристалл подается перепад напряжения, который возбуждает механические колебания кварцевой пластины. Механические колебания кварцевого кристалла генерируют электрические колебания, которые подаются на вход усилителя –К. Резистор R – обеспечивает соблюдение амплитудного условия возбуждения незатухающих колебаний. Выбор частоты в данном случае определяется параметрами использованного кварцевого резонатора. Для подавления колебаний на более высоких частотах кристалл кварца шунтируется емкостью. Так как кварцевый резонатор имеет строго фиксированный набор гармонических колебаний кристаллической решетки, то плавная перестройка диапазона генерируемых частот гармонических сигналов в широком диапазоне невозможна, поэтому широкодиапазонные генераторы, стабилизированные кварцем, состоят из обычного LC –генератора, синхронизированного кварцем.
Генераторы прямоугольных импульсов равной длительности импульса и паузы (меандр) можно получить из генераторов синусоидальных сигналов, если увеличить коэффициент усиления усилителя. При этом нарушается равенство 
. Получив 
>>1, мы, за счет нелинейности передаточной характеристики усилителя, можем получить импульсы прямоугольной формы.
Схемы получения электрических сигналов любой другой формы более сложны, и, содержат дополнительные время задающие схемы.
В качестве примера реального генератора рассмотрим генератор сигналов специальной формы типа GFG 8216A, позволяющие получать на выходном сопротивлении 50 Ом синусоидальный, прямоугольный, треугольный сигналы, как без постоянной составляющей, так и с постоянной составляющей. Генератор позволяет получать сигналы с частотой от 0,3 Гц до 3
-40-
МГц. Весь диапазон частот разбит на 7 поддиапазонов с плавной перестройкой частоты внутри каждого. Выходное напряжение может изменяться от 0 до 10 В с грубой и плавной регулировкой. Выходное напряжение не контролируется встроенными приборами. Генератор имеет встроенный частотомер. Встроенный частотомер можно использовать для измерения частоты сигналов других источников. Размещение органов управления генератором показано на Рис.5.
 |
Рис.5. Эскиз передней панели генератора сигналов специальной формы GFG-8216
Органы управления генератора.
1. Дисплей встроенного частотомера.
2. 2,3, 9,….13 –кнопки выбора диапазона частоты. (13 -1 Гц, 12 -10 Гц, 11 -100Гц,
10 -1 кГц, 9 – 10 кГц. 3 – 100 кГц, 2 – 1 мГц)
3. 5,6,7,–кнопки выбора формы сигнала.
4. 8 – аттенюатор (ослабление входного сигнала на 20 дБ).
5. 4 – GATE –выбор времени счета встроенного частотомера.
6. 14–выключатель питания генератора.
7. 15 –потенциометр плавной настройки частоты в пределах выбранного диапазона.
8. 16 – выход сигнала прямоугольной формы с уровнями, совпадающими с требованиями логики ТТЛ.
9. 17 – DUTY – регулировка скважности сигналов прямоугольной формы.
10. 18 – переключатель уровня прямоугольного сигнала ТТЛ уровня на уровни КМОП.
11. 19 – дополнение выходного сигнала постоянной составляющей.
12. 20 – регулировка амплитуды выходных сигналов.
13. 21 - Выходной разъем генератора
Структурная схема генератора приведена на Рис.6. Частота задается кнопочным переключателем (2..13) ступенчато и дополнительно потенциометром 15 (нумерация органов управления показана на Рис.5). Сигнал задающего генератора поступает на вход формирователя выходного сигнала заданной формы. Выбор формы выходного сигнала определяется переключателями (5,6,7). Сформированный сигнал с выхода формирователя передается на вход
-41-
Рис.6. Структурная схема частотомера
предварительного усилителя, имеющего регулировку коэффициента усиления (потенциометр 20), для получения на выходе генератора необходимого уровня выходного напряжения. Усилитель мощности УМ обеспечивает необходимую мощность выходного сигнала. Выходное сопротивление УМ равно 50 Ом на выходе (21) - “Output 50 Om”. Выходной сигнал на этом выходе может быть симметричным относительно общей шины или иметь смещение, регулируемое потенциометром (19) – смещение (offset). В структуру генератора включен частотомер, позволяющий контролировать частоту генерируемых сигналов. Встроенный частотомер можно использовать для измерения частоты сигнала, подаваемого на вход частотомера от внешнего источника сигналов. Входной разъем частотомера расположен на задней стенке прибора.
Основное содержание лекции:
- генераторы электрических сигналов,
- типовая структурная схема,
- варианты генераторов гармонических сигналов самовозбуждением,
- формирователи генераторов сигналов прямоугольной формы,
- рассмотрен генератор сигналов специальной формы типа GFG 8216A
Вместе с этой лекцией читают "Инструментальная музыка барокко".
Основная литература
1. Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы технических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2005. Электронная версия.
2. Терешин Г.М. Радиоизмерения. М.: Энергоиздат, 1963.
3. Гусев В.Г. Гусев Ю.Н. Электроника и микропроцессорная техника. М. ВШ.2005.
4. Генераторы сигналов специальной фрмы GFG-8215A/8216A/8217A/8219A. GFG-8250A/8255A. Руководство по эксплуатации. М. 2004
5. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб.пособие для вузов. / Под ред. Н.Н.Евтихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990.
