Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 19

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

Текст из файла (страница 19)

Задающие СВЧ-генераторы измерительных приборов выпол­няют на отражательных клистронах, диодах Ганна, магнетронах, лавинно-пролетных диодах (ЛПД), лампах бегущей (ЛЕВ) и об­ратной волны (ЛОВ) и т.д.

В измерительных СВЧ-генераторах необходима тщательная экранировка, так как утечка мощности с ростом частоты возрас­тает. Провода питания выполняют 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.

4.3. Цифровые измерительные генераторы низких частот

Цифровые генераторы низких частот отличаются от аналого­вых более эффективными метрологическими характеристиками: высокими точностью установки и стабильностью частоты, малым коэффициентом нелинейных искажений (строго синусоидальной формой), постоянством уровня выходного сигнала. Цифровые генераторы удобнее аналоговых в эксплуатации: выше быстро­действие, существенно проще установка требуемой частоты, более наглядна индикация. Цифровые генераторы имеют возмож­ность автоматической перестройки частоты по заранее заданной программе.

Действие цифровых генераторов основано на принципе фор­мирования числового кода с последующим преобразованием его в гармонический сигнал. При этом используют метод аппроксима­ции формы выходного колебания.

Принципы аппроксимации

Самый простой вид аппроксимации — ступенчатая. Она за­ключается в представлении (замене) синусоидального колебания напряжением ступенчатой формы, весьма мало отличающейся от синусоидальной кривой (рис. 4.6, а). Аппроксимируемое сину­соидальное напряжение u(t)=U_мsinωt дискретизируют во вре­мени (равномерная дискретизация с шагом ∆t) и в интервале, разделяющем два соседних момента времени t_i и t_i+1 синусои­дальное колебание заменяют напряжением постоянного тока — ступенькой, высота которой равна значению аппроксимируемо­го напряжения в момент t_i, т.е. u(t_i)=U_мsinωt_i. В результате та­кой замены вместо кривой синусоидальной формы получают ступенчатую линию, изображенную на рис. 4.6, а.

При имеющемся периоде Т гармонического колебания число ступенек р, приходящихся на один период, определяют 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=р∆t. Учитывая, что t_i=i∆t, уравнение ступенчатой кривой представляют как u(i∆t)=U_msin(iω∆t) или с учетом р и ω= 2π/T:

Ступенчатая кривая тем точнее приближается по форме к синусоиде, чем больше выбрано число ступеней р. Когда это чис­ло велико, ступенчатое напряжение можно рассматривать как низкочастотное синусоидальное напряжение, немного искажен­ное 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-1, следующей — гармоника но­мера р+1, затем гармоники номеров 2р-1 и 2р+1 и т.д. Напри­мер, при р=25 и частоте напряжения f основной гармоники ближайшими высшими гармониками будут 24-, 26-, 49-, 51-я гар­моники, т.е. напряжения частот 24f, 26f, 49f, 51f. Такие соотно­шения между основной и высшими гармониками позволяют лег­ко осуществить высококачественную фильтрацию, резко ослабляющую уровни высших гармоник, т.е. получить синусои­дальное напряжение, характеризуемое достаточно малым коэф­фициентом нелинейных искажений.

Структурная схема цифрового генератора представлена на рис. 4.6, 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=gТ, 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. u(i∆t)=U_msin(i2π/p). Таким образом формируют р ступенек ап­проксимируемой кривой. При накоплении 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, меняя шаг дискретизации ∆t, что достигается изменением коэффициента деления g делителя частоты.

4.4. Генераторы качающейся частоты и сигналов специальной формы

В измерительной технике часто используют генераторы гар­монических сигналов, частоту которых автоматически изменяют (качают) в пределах заданной спектральной полосы.

К генераторам качающейся частоты (ГКЧ; устаревшее на­звание «свип-генератор») относятся источники гармонических колебаний со специальным (линейным, логарифмическим и т.д.) законом автоматического изменения частоты в пределах заданной полосы качания. Полосу качания ∆f определяют как разность конечной f_к и начальной f_н, частот, т.е. ∆f=f_к-f_н. В зависимости от ее значения ГКЧ делят на узкополосные (∆f не более 1% мак­симальной частоты рабочего диапазона или поддиапазона), широкополосные (∆f >1%) и комбинированные.

Структурная схема ГКЧ (рис. 4.7) содержит источник модули­рующего напряжения, задающий генератор, схему формирования частотных меток, выходной блок и цифровой индикатор уровня, фиксирующий выходное колебание. Основные параметры дан­ных генераторов — частотные и амплитудные. К первым относят диапазон рабочих частот, полосу качания, длительность автома­тического качания частоты и т.д. Ко вторым — уровень выход­ной мощности (напряжения) при работе на согласованную на­грузку, неравномерность этого уровня при перестройке частоты и пр. К генераторам качающейся частоты предъявляют достаточно жесткие требования по линейности модуляционной характери­стики, постоянству выходного уровня мощности и значению по­бочной модуляции.

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 LС-генератор с электронным управлением частотой.

В радиотехнике известно несколько способов управления частотой высокочастотных LС-генераторов. Практическое при­менение находит способ перестройки частоты путем изменения величины барьерной емкости p-n-перехода полупроводникового диода — варикапа, который включают в цепь колебательного контура генератора. Модулирующее напряжение, воздействуя на р-п-переход диода, изменяет его емкость, а следовательно, и час­тоту генерируемых колебаний.

К генераторам сигналов специальной формы относят источ­ники одиночных или периодических импульсных сигналов, кото­рые могут иметь прямоугольную и отличную от нее форму. Осо­бое место в ряду генераторов специальной формы занимают импульсные (релаксационные) генераторы. Их подразделяют на генераторы периодической последовательности импульсов и ге­нераторы кодовых групп импульсов. Широкое применение нахо­дят генераторы периодических последовательностей прямоугольных импульсов. Для формирования прямоугольных импульсов со стабильными длительностью и частотой следо­вания, крутыми фронтами и плоской вершиной используют мультивибраторы, работающие в автоколебательном и жду­щем режимах. Обычно в мультивибраторах применяют квар­цевую стабилизацию частоты.

Структурная схема импульсного генератора и временные диа­граммы ее работы показаны на рис. 4.8. Формирователь вре­менных интервалов может работать в режиме автогенератора (положение ключа 1) или в ждущем режиме (положение ключа 2). Однократный пуск осуществляют нажатием кнопки К_н. Интер­вал Т определяет частоту следования импульсов f=1/Т. Длитель­ность импульсов определяется временем задержки, как в одно­именной схеме: τ_и=τ_з. По длительности вырабатываемых им­пульсов генераторы делят на микросекундные и наносекундные.

Современные генераторы сигналов специальной формы от­носятся к универсальным приборам с широким частотным диапа­зоном, большим числом форм и уровней выходных сигналов, а также электронным управлением их параметрами. В ряде случаев генераторы частично или полностью заменяют низкочастотные, в том числе инфранизкочастотные, высокочастотные и импульсные генераторы.

4.5. Генераторы шумовых и шумоподобных сигналов

Широкое применение в измерительной технике находят ге­нераторы шумовых сигналов.

Генераторы шумовых сигналов

Генераторы шумовых сигналов (шумовые генераторы) выра­батывают флуктуационные напряжения с заданными вероятност­ными характеристиками. Основной узел шумового генератора — задающий генератор (рис. 4.9). Его сигналы должны иметь равно­мерную спектральную плотность мощности по всей требуемой по­лосе частот (теоретически это белый шум). В задающем генераторе используют физические явления, при которых возникают достаточно интенсивные шумы со статическими характеристиками и параметрами, поддающимися достаточно несложному математическому анализу.

Нагретый проволочный резистор. В качестве образцового источника шума может служить нагретый проволочный резистор, среднее квадратическое значение напряжения на котором рассчи­тывают по формуле:

где k=1,38∙10^-23 Дж/град — постоянная Больцмана; T — абсо­лютная температура резистора в градусах Кельвина; R — сопро­тивление резистора, Ом; ∆f — рабочая полоса.

Резистор выполняют в виде вольфрамовой спирали, намо­танной на керамический каркас, температуру которой поддержи­вают постоянной.

Болометрический генератор шума. К источникам тепловой шумовой мощности относится и болометрический генератор. Бо­лометр представляет собой вакуумный стеклянный баллон, внут­ри которого натянута вольфрамовая нить.

Источники теплового шума используют в качестве образцо­вых генераторов шумовых напряжений, так как расчетные дан­ные хорошо совпадают с практическими результатами. В шумо­вых генераторах также применяют фотоэлектронные умножители, газоразрядные трубки, шумовые диоды и т.п.

Газоразрядные генераторы шума. Широкое применение в качестве первичного источника шума в сантиметровом диапазоне волн нашли газоразрядные шумовые трубки (ГШТ) с положи­тельным столбом. Газоразрядные шумовые трубки имеют высо­кую равномерность спектральной плотности мощности шума в широкой полосе частот, стабильный и относительно высокий уровень мощности, просты в эксплуатации, устойчивы к жестким воздействиям внешней среды и обладают достаточно высокой эксплуатационной надежностью.

Газоразрядный шумовой генератор выполнен в виде стек­лянной трубки, наполненной инертным газом (аргоном или не­оном). На одном конце трубки расположен прямонакальный, или подогреваемый катод, на противоположном — анод. Свойство газоразрядных трубок генерировать шумы обусловлено колеба­ниями электронов в плазме. Для практического использования шумового излучения положительного столба ГШТ помещают в специальные генераторные секции. В зависимости от диапазона частот и типа трубки можно использовать генераторные секции, выполненные на волноводе, коаксиальной или полосковой линии.

Волноводные шумовые генераторы представляют собой от­резок волновода, в центре широкой стенки которого под малым углом (7...15)° помещают ГШТ. Наклонное положение трубки в волноводе обеспечивают при разряде равномерное внесение по­терь на достаточной длине линии, благодаря чему достигают удовлетворительного согласования ГШТ с линией передачи в широком диапазоне частот.

В длинноволновой части сантиметровых волн из-за сложно­сти согласования трубки с линией передачи обычно применяют коаксиальные или полосковые генераторы шума.

В коаксиальных генераторах шума ГШТ помещают внутри ленточной спирали, которая является внутренним проводником коаксиальной линии. Внешним проводником служит цилиндри­ческая поверхность корпуса линии. Форму спирали (зазор между соседними витками, диаметр спирали) определяют исходя из требуемого волнового сопротивления, связи трубки с линией пе­редачи, диапазона частот.

Характеристики

Список файлов книги