стр.133-187 (1066275), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

4.6. Стандарты и синтезаторы частоты

Как уже отмечалось, для создания стабильного по частоте и фазе сигнала используют кварцевые генераторы, имеющие высо­кую стабильность частоты. Кварцевые стандарты частоты име­ют более высокие показатели по стабильности и их нестабильность частоты порядка 10^-8 – 10^-9. Еще лучшую стабиль­ность частоты (нестабильность порядка 10^-12) обеспечивают квантомеханические стандарты частоты, действие которых осно­вано на использовании электромагнитного излучения атомов оп­ределенного химического элемента при переходе их из одного энергетического состояния в другое. На этой основе созданы во­дородные, цезиевые и рубидиевые генераторы, которые обеспе­чивают формирование высокостабильных сигналов только на не­скольких (порядка 3) значениях частот. При необходимости иметь большой набор генерируемых частот используют кварцевые син­тезаторы частот.

Синтезаторами частоты называют специальные генерато­ры гармонических напряжений с дискретной перестройкой час­тоты и стабильностью, равной стабильности частоты лучших кварцевых генераторов. Они обеспечивают синусоидальную форму, высокую спектральную «чистоту», большую точность ус­тановки и возможность программной перестройки частоты. Син­тезаторы позволяют получать напряжения фиксированных частот с дискретностью (сеткой частот) до сотых долей герц. По точно­сти установки и стабильности частоты синтезаторы превосходят обычные измерительные генераторы с плавной перестройкой частоты. Они легко сопрягаются с автоматизированными инфор­мационно-измерительными системами.

Кварцевые синтезаторы частоты — многочастотные гене­раторы гармонических напряжений с дискретной перестройкой частоты. Упрощенная структурная схема аналогового синтезатора частоты показана на рис. 4.12. В нее входят кварцевый генератор частоты f₀, устройство формирования опорных частот f₁,…, f_n, устройство переключения, подключающее на выход сигнал нуж­ной частоты, цифровое отсчетное и выходное устройства.

В современных высококачественных широкодиапазонных изме­рительных генераторах требование высокой стабильности частоты и возможности ее быстрой перестройки являются трудно совмести­мыми. Поэтому при разработке синтезаторов частоты переходят к дискретному перекрытию частотного диапазона, при котором допускается генерирование сигналов на любой из множества частот, сле­дующих друг за другом с определенным фиксированным интерва­лом, называемым шагом дискретной сетки.

На рис. 4.13 показана структурная схема аналогового синте­затора частоты с цифровым управлением, в которую входит опорный кварцевый генератор ОКГ, управляемый делитель час­тоты УДЧ, управляемый генератор УГ, фазовый детектор ФД с цепью фазовой автоматической подстройки частоты и програм­мируемое цифровое устройство ПЦУ.

На фазовый детектор подают два колебания: первое со ста­бильной частотой f_оп — от ОКГ; второе с частотой f/N≈f_оп через УДЧ с коэффициентом деления N — от УГ. Напряжение с вы­хода фазового детектора через фильтр нижних частот ФНЧ воздействует на управляемый генератор и подстраивает его до обеспечения равенства частот f/N и f_оп. Изменяя с помощью ПЦУ коэффициент деления N, можно получить требуемую сетку частот с шагом, равным f_оп. Поскольку выходная частота синтезатора связана с частотой опорного кварцевого генератора как f=Nf_оп, то относительные нестабильности этих частот равны. Если в таком синтезаторе требуется стабилизировать очень низкую частоту, то между опорным кварцевым генератором и фазовым детектором необходимо дополнительно ввести дели­тель частоты ДЧ.

Представленный простейший вариант синтезатора часто­ты имеет серьезные недостатки. Первый из них связан с конечностью ширины полосы синхронизации управляемого генератора, которая зависит от управляющих элементов генератора и коэффициентов передачи ФД и ФНЧ. Поэтому для получения широкой сетки частот приходится изменять собственную частоту f управляемого генератора. Второй недостаток обусловлен узкими возможностями УДЧ, построен­ного, как правило, на основе счетчика импульсов. Введением ОС в делителе частоты можно изменять его коэффициент Деления, который будет принимать любые целочисленные значе­ния, допустимые разрядностью счетчика.

Цифровые синтезаторы измерительных сигналов. Прогресс в области микропроцессорной техники обусловил появление из­мерительных генераторов с новыми принципами формирования сигналов. Достоинством цифровых методов синтеза является малое время установления частоты колебаний при перестройке, что важно для функционирования быстродействующих автоматизи­рованных систем.

В современных синтезаторах часто требуется использовать дробные значения коэффициента деления частоты. Метод дроб­ного преобразования частоты используют в новейших разработках цифровых синтезаторов, реализуемых по следующей базовой схеме (рис. 4.14). В таком синтезаторе коэффициент деления про­граммно-управляемого делителя частоты ПУДЧ изменяют во времени, формируя последовательность временных циклов опре­деленной длительности. Полученный цикл также делят на несколько подциклов, в течение каждого из которых коэффициент деления постоянен. Изменение коэффициента деления произво­дится в момент перехода от одного подцикла к другому таким образом, чтобы средний за время цикла коэффициент деления был равен заданному. В схеме цифрового синтезатора частоты используют цифровой фазовый детектор ЦФД, ЦАП и микропро­цессор МП.

Подстройку выходной частоты производят в конце каждого цикла. Для этого используют управляемый генератор, напряже­ние подстройки частоты на который подают с ЦАП. Сигнал управления (ошибки, рассогласования) вырабатывается ЦФД и его уровень соответствует значению средней за время цикла раз­ности фаз колебаний, получаемых от опорного кварцевого гене­ратора и управляемого генератора. Затем сигнал управления с ФД подают на МП, который через ЦАП по заданному коду тре­буемой частоты осуществляет программное управление схемой ПУДЧ.

Контрольные вопросы

1. Как различают измерительные генераторы в зависимости от формы выходного сигнала?

2. Как подразделяют генераторы по частотным характеристикам?

3. Каковы условия самовозбуждения генератора гармонических ко­лебаний? Какими методами их реализуют?

4. Каковы методы создания генераторов инфранизких частот?

5. В чем особенности конструирования СВЧ-генераторов?

6. Какова упрощенная функциональная схема цифрового измери­тельного генератора?

7. Какие физические явления могут быть положены в основу создания шумовых генераторов?

8. Какие требования предъявляют к форме сигнала импульсного генератора?

9. Для чего используют генераторы шумоподобных сигналов?

10. Для каких целей используют стандарты частоты?

11. На каких принципах строят схемы синтезаторов частоты?

Глава 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ СИГНАЛОВ

5.1. Общие сведения

Наглядное, или визуальное воспроизведение формы колеба­ний является важной задачей радиотехнических измерений, по­скольку форма позволяет сразу оценить многие параметры коле­баний. Одним из основных приборов, служащих для визуального наблюдения и исследования формы электрических сигналов, яв­ляется осциллограф (от лат. «осциллум» — колебание и греч. «графо» — пишу). Большинство современных осциллографов, находящихся в эксплуатации, оснащены электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и их называют электронно-лучевыми осциллогра­фами. Вместе с тем, в последних разработках осциллографов в качестве отображающих устройств применяют матричные инди­каторные панели — газоразрядные, плазменные, жидкокристал­лические, твердотельные и т.д.

Электронно-лучевой осциллограф — измерительный прибор для визуального наблюдения в прямоугольной системе координат электрических сигналов и измерения их параметров. С помощью осциллографа наблюдают периодические непрерывные и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, оди­ночные импульсы и оценивают их параметры. Чаще всего с по­мощью осциллографа наблюдают зависимость напряжения от времени, причем, как правило, осью времени является ось абс­цисс, а ось ординат отражает уровень сигнала. По изображениям, получаемым на экране осциллографа, можно измерить амплиту­ду, частоту и фазовый сдвиг, параметры модулированных сигна­лов и ряд других показателей. На базе осциллографа созданы приборы для исследования переходных, частотных и амплитуд­ных характеристик различных радиотехнических устройств.

Для многих целей разработаны и используют различные ти­пы электронно-лучевых осциллографов: универсальные, скоро­стные, стробоскопические, запоминающие, специальные и т.д. Отличаясь техническими характеристиками, схемными и конструктивными решениями, в этих осциллографах используется общий принцип получения осциллограмм. Возможность наблю­дения формы исследуемого сигнала и одновременное измерение его параметров и характеристик выдвигают электронно-лучевой осциллограф в разряд универсальных приборов.

Наибольшее распространение получили универсальные ос­циллографы, позволяющие исследовать электрические сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне амплитуд от долей милливольт до сотен вольт, а также измерять параметры таких сигналов с приемлемой для практики погрешностью (5...7 %). Полоса пропускания лучших универ­сальных осциллографов составляет 300...500 МГц и более.

Повторяющиеся кратковременные процессы исследуют с помощью стробоскопических осциллографов. По принципу дей­ствия стробоскопические осциллографы относят к приборам с преобразованием временного масштаба и отличаются высокой чувствительностью и широкой (до 10 ГГц) рабочей полосой.

Запоминающие осциллографы, имеющие специальные ЭЛТ, обладают способностью сохранять и воспроизводить изображе­ние сигнала в течение длительного времени после исчезновения его на входе. Основное назначение запоминающих осциллогра­фов — исследование однократных и редко повторяющихся про­цессов. Запоминающие осциллографы обладают почти такими же характеристиками, что и универсальные, однако отличаются рас­ширенными функциональными возможностями.

Специальные осциллографы оснащены дополнительными бло­ками целевого назначения. К ним относятся и телевизионные осцил­лографы, позволяющие наблюдать видеосигнал заданной строки изображения, и цифровые, дающие возможность не только наблю­дать сигнал, но и передать его в цифровом виде на компьютер для дальнейшей обработки. Специальные осциллографы снабжают мультиметрами, позволяющими измерять напряжения, силу токов и сопротивления, а также устройствами для исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов.

По числу одновременно наблюдаемых на экране ЭЛТ сигна­лов различают одноканальные и многоканальные осциллографы. Совмещение на экране изображений нескольких входных сигна­лов реализуют или использованием специальной многолучевой трубки, или путем периодического переключения сигналов на разные входы с помощью электронного коммутатора.

5.2. Универсальные осциллографы

Рассмотрим упрощенную структурную схему универсально­го осциллографа, приведенную на рис. 5.1. В схеме этого осцил­лографа кроме ЭЛТ можно выделить следующие функциональ­ные блоки: каналы вертикального и горизонтального отклонений, устройство синхронизации и запуска развертки, канал модуляции луча, вспомогательные устройства, источник питания. В осцил­лографе исследуемый электрический сигнал подают через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систе­му ЭЛТ, а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляют напряжением горизонтальной развертки.

Электронно-лучевая трубка представляет собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой размещены электронная пуш­ка, отклоняющие пластины и люминесцентный экран. Электрон­ная пушка состоит из подогреваемого катода К, модулятора (сет­ки) яркости светового пятна М, электродов фокусировки и ускорения электронного луча — фокусирующего анода А₁, уско­ряющего анода А₂ и основного анода А₃. Яркость свечения люми­нофора ЭЛТ регулируют путем изменения отрицательного на­пряжения на модуляторе М. Напряжение на первом аноде А₁ фокусирует электронный поток в узкий луч. Чтобы придать элек­тронам скорость, необходимую для свечения люминофора, на второй анод А₂ подают достаточно большое (до 2000 В) положи­тельное напряжение. Для дополнительного ускорения электронов используют анод А₃, к которому приложено высокое положитель­ное напряжение (до 10... 15 кВ).

Полагая, что студенты из курса физики знакомы с устройст­вом электронной пушки, отметим лишь, что ее основным назна­чением является формирование узкого электронного пучка, при попадании которого на люминесцентный экран на экране возни­кает светящееся пятно.

Характеристики

Список файлов учебной работы