Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

Измерительные генераторы — источники сигналов разно­образных форм и частот, предназначенные для работы с радио­техническими 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, релаксационных (импульсных) и шумовых колебаний. В спектре выходного сигна­ла генератора гармонических колебаний имеется одна или несколько гармоник. Выходные колебания релаксационного гене­ратора содержат множество гармоник с соизмеримыми амплитудами.

По частотному диапазону генераторы делят на: инфранизкочастотные (0,01...20 Гц), низкочастотные, или генераторы звукового диапазона (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. Не­обходимо отметить также генераторы псевдослучайных и линей­но-изменяющихся напряжений (ГЛИН), которые относят к релак­сационным генераторам. Эти 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) подают на его вход по специально введенной цепи положительной обратной связи (ОС). Говоря иначе, подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генератором с са­мовозбуждением.

Упрощенно механизм возникновения колебаний в генерато­ре трактуют следующим образом. При запуске в колебательной системе самопроизвольно возникают слабые свободные колеба­ния, обусловленные включением источников питания, 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 описанные процессы происходят на одной частоте со 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 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 можно представить обобщенной структурной схе­мой (рис. 4.1), состоящей из нелинейного резонансного уси­лителя с комплексным коэффи­циентом усиления по напряже­нию К=K(jω) и цепи положительной ОС с комплексным коэффициентом передачи β=β(jω).

В схеме генератора отмечены комплексные амплитуды следующих напряжений:

входного — U_вх=U _вх(jω); выходного — U_вых=U _вых(jω) и обрат­ной связи — U_ос=U _ос(jω).

Напряжение обратной связи на любой частоте генерации ω

U_ос=U_вх= βU_вых (4.1)

Тогда выходное напряжение определяют как U_вых=KU_вх, или с учетом формулы (4.1), U_вых= KβU_вых. Отсюда следует, что авто­генератор будет работать в стационарном режиме при условии, когда

Kβ=1 (4.2)

Если Кβ>1, то амплитуда выходных колебаний нарастает, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора.

Представим формулу (4.2) следующим образом:

(4.3)

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

Выражение (4.3) принято представлять двумя равенствами:

где К_ос — коэффициент усиления усилителя с цепью положи­тельной ОС; п=0, 1, 2, 3,...

Формула (4.4) определяет условие баланса амплитуд в авто­генераторе. Из него следует, что в стационарном режиме на гене­рируемой частоте коэффициент усиления усилителя с обратной связью К_ос = 1. Равенство (4.5) 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.

В генераторах гармонических колебаний колебательными сис­темами являются резонансные LC-контуры (в СВЧ-генераторах для этих целей используют резонаторные СВЧ-системы) и частотно-зависимые (фазирующие) RС-цепи. Генераторы гармонических ко­лебаний с LC-контурами называют LC-генераторами, а с фази­рующими RС-цепями — RС-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).

4.2. Измерительные генераторы гармонических колебаний

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

Измерительные LC-генераторы

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

Упрощенная схема LC-генератора на операционном усили­теле показана на рис. 4.2, а. Усилитель автогенератора охвачен двумя цепями обратной связи, обеспечивающими режимы ба­лансов амплитуд и фаз. Баланс амплитуд устанавливают цепью отрицательной ОС, состоящей из резисторов R₁ и R₂. С ее помощью задают требуемый коэффициент усиления собственно усилителя |К|=R₂/R₁. Баланс фаз обеспечивает цепь положительной ОС, со­стоящей из резистора R и параллельного колебательного LC-контура.

Коэффициент передачи цепи положительной ОС

где R₀ — резонансное сопротивление параллельного контура.

Кварцевая стабилизация частоты. К LC-генераторам относят и генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. Стабилизация основана на применении кварцевого резонатора вместо одного из элементов контура, что снижает нестабильность частоты колеба­ний генератора до 10^-7 (отклонение частоты на ∆f= 0,1 Гц от ге­нерируемой в f_р=1МГц).

Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет со­бой помещенную в кварцедержателъ тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца, грани которой определенным обра­зом ориентированы по отношению к осям кристалла. 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 пъезоэффект), 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 LC-контуром. Добротность кварцевого резонатора достигает со­тен тысяч, тогда как у колебательного контура она не превышает 300-400. На рис. 4.2, б показана упрощенная схема LC-генератора с кварцевой стабилизацией.

Диапазон перестройки генерируемой частоты измеритель­ных LC-генераторов обычно лежит в пределах от 0,01 Гц до единиц мегагерц, минимальная дискретность ее установки со­ставляет 0,01 Гц.

RC-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. Их также трудно перестраивать по частоте в широких пределах. Поэтому в низкочастотных изме­рительных генераторах гармонических колебаний в качестве колебательных систем и цепей положительной ОС применяют частотно-избирательные RC-цепи. Такие генераторы называют RC-генераторами.

Обычно в RC-генераторе включают мост Вина (рис. 4.3, а), ко­торый осуществляет сдвиг фазы сигнала ОС на 180°. Генератор строится на основе усилителя, у которого в широком диапазоне частот коэффициент передачи — вещественная величина, а фазо­вый сдвиг φ=2π обеспечивают мостом Вина и инверсией сигнала в усилителе.

Частота гармонических колебаний в RC-генераторе с мостом Вина

На рис. 4.3, б изображена упрощенная схема RC-генератора с мостом Вина, в котором вместо одного из резисторов включен квар­цевый резонатор К_в, 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 значения, меньшего од­ного процента, ее нестабильность — того же порядка. Повышают стабильность частоты применением прецизионных внешних эле­ментов (конденсаторов, индуктивностей и резисторов).

В задающих генераторах звуковых частот используют три метода генерирования: прямой; метод биений; метод электронно­го моделирования.

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. 4.4).

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 f₁ может меняться в пределах от f₁ до f₁+F, где F — наибольшая частота рабочего диапазона. На выходе смесителя получают комбинационные частоты, в том чис­ле и так называемую промежуточную частоту

F_пч= f₂ - f₁. Коле­бание промежуточной частоты РПЧ выделяют фильтром промежу­точной частоты.

При создании 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.

Генератор инфранизких частот можно построить по схеме с электронным управлением частотой. Такие устройства принято называть функциональными генераторами.

Характеристики высокочастотных генераторов

В диапазоне радиочастот в средствах измерений применяют как генераторы сигналов, так и генераторы стандартных сигна­лов. Генераторы сигналов имеют большую среднюю выходную мощность (до 3 Вт) и их используют 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 предусматривают возможность получения амплитудной модуляции за счет использования как внешнего, так и внутреннего источников напряжения. Внутренняя модуляция обычно действует на частотах 400 и 1000 Гц.

Характеристики генераторов сверхвысоких частот

Генераторы сверхвысоких частот (СВЧ-генераторы) работают в диапазоне частот 1...40 ГГц. По типу выходного соединителя с исследуемой схемой они делятся на коаксиальные и волноводные, причем последние более высокочастотные. Для СВЧ-генераторов характерно однодиапозонное построение, с небольшим перекры­тием по частоте (около октавы — 2 раза). Некалиброванная вы­ходная мощность измерительного СВЧ-генератора достигает де­сяти ватт, а калиброванная составляет нескольких микроватт. Шкалы калиброванных аттенюаторов СВЧ-генераторов градуи­руют в дБ, а ГСС — в децибелах и микроваттах.

Генераторы сверхвысоких частот используют для настройки радиоприемных устройств радиолокационных и радионавигаци­онных станций, систем космической связи и спутникового веща­ния, измерения параметров различных антенн и т.д. Структурная схема СВЧ-генератора показана на рис. 4.5. Особенностями изме­рительных генераторов этого вида являются относительная про­стота электронной части схемы и сложность механических узлов приборов. Схема включает собственно СВЧ-генератор, импульсный модулятор, измеритель малой мощности, частотомер и ка­либрованный аттенюатор. Все высокочастотные узлы генератора соединяют волноводами.

Характеристики

Список файлов книги