Низкочастотные генераторы.

Низкочастотные генераторы, или генераторы низких частот (ГНЧ), являются источниками синусоидального сигнала в разных диапазонах частот: F<20 Гц (инфразвуковые), 20 Гц ... 20 кГц (звуковые), 20...200 кГц (ультразвуковые). Диапазон частот может быть расширен до F> 200 кГц. В приборах некоторых типов наряду с синусоидальным сигналом вырабатывается сигнал, называемый меандром.

Рис. 2.1. Структурная схема аналогового ГНЧ

ГНЧ применяются для всестороннего исследования трактов радиоприемных устройств, для питания мостов переменного тока и пр.

Задающий генератор определяет форму и все частотные параметры сигнала: диапазон частот, погрешность установки частоты, нестабильность частоты, коэффициент нелинейных искажений.

Если на лицевой панели прибора форма сигнала не указана, то она всегда синусоидальная. В качестве задающего используются генераторы типа RC, колебательная система которых состоит из фазирующих RC - цепей. Весь частотный диапазон генератора поделен на 3—4 поддиапазона. Каждому поддиапазону соответствует определенное значение сопротивления резистора (рис. 2.2), что позволяет изменять частоту дискретно.

Рис. 2.2. Принцип установки частоты задающего генератора

Плавная установка частоты осуществляется конденсатором переменной емкости, который обслуживает все поддиапазоны. Задающие генераторы типа RC просты, дешевы, имеют малый коэффициент нелинейных искажений и малые массогабаритные размеры.

Формула частоты колебаний генератора типа RC:

. (2.1)

В некоторых ГНЧ дискретное регулирование частоты осуществляется не резистором, а конденсатором. Тогда плавная установка частоты обеспечивается переменным резистором-потенциометром. Усилитель ослабляет влияние последующих блоков на задающий генератор, делая его частотные параметры более качественными, обеспечивает усиление сигнала по напряжению (мощности) и позволяет плавно изменять напряжение на выходе.

Согласующий трансформатор предназначен для ступенчатого согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением подключаемой нагрузки.

Наличие у трансформатора средней точки (с.т.) позволяет получать два одинаковых по значению, но противоположных по фазе выходных напряжения (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Электрическая принципиальная схема согласующего трансформатора со средней точкой

Выходной согласующий трансформатор используется в генераторах с повышенным уровнем выходной мощности. У большинства низкочастотных генераторов выходной трансформатор отсутствует.

Переключатель нагрузки обеспечивает согласование выходного сопротивления Д_вых генератора с сопротивлением нагрузки R_n. Если не выполняется согласование, то напряжение на выходе не соответствует установленному по индикатору генератора, генератор даже может выйти из строя. Наиболее распространенными значениями Д_вых являются 5, 50, 600 и 6000 Ом. Для согласования сопротивлений по выходу 1 в комплекте с прибором поставляется специальная нагрузка 50 Ом с кабелем.

Контроль выходного напряжения обеспечивается электронным вольтметром типа У—Д либо электромеханическим вольтметром выпрямительной системы. Индикатор выходного напряжения всегда показывает среднеквадратичное значение синусоидального сигнала.

Аттенюатор обеспечивает получение на выходе разных по значению напряжений, изменяющихся дискретно. При этом входное и выходное сопротивления аттенюатора не меняются и согласование не нарушается. Иногда ослабление указывается не в вольтах, а в децибелах.

Ослабление, вносимое аттенюатором, рассчитывается по формуле:

, (2.2)

где U_вх (B) — напряжение на входе аттенюатора; U_вых(B) — напряжение на выходе аттенюатора.

Рассмотрим два примера.

Пример 1. Определить напряжение на выходе генератора в вольтах, если на входе оно составляет 1 В, а на выходе U = 60 дБ. На основании формулы запишем:

Пример 2. Определить значение затухания, вносимого аттенюатором генератора, если напряжение на его входе составляет 1 В, а на выходе 100 мВ.

На основании формулы запишем

.

Цифровые ГНЧ.

Цифровые ГНЧ по сравнению с аналоговыми имеют более качественные метрологические характеристики: меньшую погрешность установки и нестабильности частоты, меньший коэффициент нелинейных искажений, стабильность уровня выходного сигнала.

Такие генераторы получают все большее распространение по сравнению с аналоговыми за счет более высокого быстродействия, упрощения установки частоты, исключения субъективной ошибки в задании параметров выходного сигнала. Благодаря встроенному микропроцессору в цифровых ГНЧ можно по заданной программе автоматически перестраивать частоту сигнала.

Работа цифровых ГНЧ основана на принципе формирования числового кода с последующим преобразованием его в аналоговый гармонический сигнал, который аппроксимируется функцией, моделируемой с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Структурная схема цифрового ГНЧ представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Структурная схема цифрового ГНЧ

Задающий генератор импульсов с кварцевой стабилизацией частоты вырабатывает короткие импульсы в периодической последовательности, которые поступают на делитель частоты. На выходе делителя частоты с регулируемым коэффициентом деления образуется последовательность импульсов с заданным периодом следования, определяющим шаг дискретизации.

Счетчик подсчитывает поступающие на него импульсы, кодовая комбинация накопленных в счетчике импульсов подается в цифро–аналоговый преобразователь, который вырабатывает соответствующее напряжение. После переполнения счетчик обнуляется и готов к началу формирования следующего периода.

Тема 2.2. Генераторы сигналов высокой частоты

Высокочастотные и сверхвысокочастотные генераторы, или генераторы высоких и сверхвысоких частот (ГВЧ и ГСВЧ), являются источниками синусоидального и не менее одного модулированного по какому-либо параметру сигналов (амплитудно-модулированного —АМ-сигнал, частотно-модулированного — ЧМ-сигнал) с известными параметрами. Форма сигналов на выходе ГВЧ представлена на рис. 2.5.

Рис. 6.5. Синусоидальный (а) и амплитудно - модулированный (б) сигналы на выходе ГВЧ

Если на лицевой панели прибора форма сигналов не указана, то это всегда синусоидальный и АМ-сигнал.

Приведенные сигналы характеризируются следующими параметрами: f - несущая (модулированная) высокая частота, F — модулирующая низкая частота, M —коэффициент амплитудной модуляции.

М=(А-В)·100%/(А+В) (2.3)

ГВЧ и ГСВЧ перекрывают следующие диапазоны несущих частот: 200 кГц ... 30МГц (высокие) и f > 30 МГц (сверхвысокие). Диапазон частот может быть расширен до f< 200 кГц. Такие генераторы применяются для всестороннего исследования высокочастотных трактов теле- и радиоприемных устройств, для питания схем напряжением высоких и сверхвысоких частот. Структурная схема ГВЧ приведена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Структурная схема ГВЧ

Задающий генератор I определяет значение несущей частоты и форму сигнала. В качестве задающего генератора используется генератор типа LC, колебательная система которого представляет собой параллельный контур, состоящий из катушки индуктивности L и конденсатора С. Частота колебаний выражается формулой:

(2.4)

Весь частотный диапазон ГВЧ поделен на поддиапазоны, количество которых может достигать восьми. Каждому поддиапазону соответствует конкретная катушка индуктивности, а плавная установка частоты (в границах поддиапазона) осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости. ГВЧ имеет два выхода: микровольтовый и одновольтовый.

С выхода задающего генератора I напряжение поступает на два канала: основной и вспомогательный. Основной канал содержит усилитель-модулятор и высокочастотный аттенюатор (выход «μV»). С этого выхода снимается немодулированное синусоидальное или модулированное регулируемое высокочастотное колебание, калиброванное по напряжению. Как и в ГНЧ, индикатор показывает среднеквадратичное значение синусоидального напряжения.

Вспомогательный канал содержит усилитель и выход «1V». С этого выхода снимается неконтролируемое, смодулированное (т.е. синусоидальное), нерегулируемое высокочастотное напряжение 1...2 В на согласующую нагрузку

Вход AM предназначен для подключения внешнего модулирующего генератора (задающего генератора I) при положении тумблера «Внеш.» или внутреннего модулирующего генератора (задающего генератора II) при положении тумблера «Внутр.». Обычно значение модулирующей частоты — фиксированное (400 или 1000 Гц). Если на лицевой панели оно не указано, то принимается равным 1000 Гц.

Особенностью ГСВЧ является использование специальных сверхвысокочастотных усилительных приборов: клистронов, ЛОВ-ламп обратной волны, лавинно-пролетных диодов, диодов Ганна, магнитронов, а также колебательных систем на объемном резонаторе или четвертьволновом отрезке волновода, коаксиальной линии.

На калиброванном выходе ГСВЧ мощность не превышает нескольких микроватт, а на некалиброванном — нескольких ватт. Кроме синусоидального сигнала, ГСВЧ могут вырабатывать импульсно-модулированный сигнал (ИМ-сигнал).

Тема 2.3. Генераторы импульсных сигналов

Импульсные генераторы, или генераторы импульсов (ГИ), нашли применение при настройке и регулировании импульсных схем, используемых в телевидении и связи, ЭВМ, радиолокации и т.д. Широко используются генераторы, обеспечивающие получение напряжений прямоугольной формы. Параметры импульсного сигнала могут регулироваться в широких диапазонах.

ГИ является источником двух сигналов: основного и дополнительного (синхронизированных импульсов — СИ). К основным параметрам этих сигналов, регулируемым в широких пределах (рис. 2.7), относятся U_m — амплитудное значение напряжения, t_и — длительность импульса, t₃ — время задержки (временной сдвиг) основных импульсов по отношению к синхроимпульсам, Т — период повторения импульсов.

Рис. 2.7. Параметры выходных сигналов ГИ

К косвенным (вторичным) параметрам сигналов ГИ относятся — скважность, которая должна быть ≥ 2 и рассчитывается по формуле:

, (2.5)

где F = 1/T— частота повторения импульсов.

Структурная схема ГИ приведена на рис. 2.8.

> Рис. 2.8. Структурная схема ГИ

Задающий генератор вырабатывает короткие импульсы с частотой F и может работать в автоколебательном (положение ключа «1») пли в ждущем (положение ключа «2») режимах. В режиме внешнего запуска частота следования импульсов определяется внешним генератором, подключенным к гнезду «Вход». Разовый запуск обеспечивается нажатием кнопки устройства внешнего и разового запуска.

Блок формирования синхронизирующих импульсов (СИ) обеспечивает необходимую форму СИ.

Блок задержки создает временной сдвиг на время t_з основных импульсов относительно СИ, поступающих от задающего генератора.

Блок формирования основных импульсов обеспечивает получение на выходе импульсов необходимой формы и длительности.

Усилитель увеличивает амплитуду импульсов, позволяет менять их полярность и осуществляет согласование по сопротивлению с нагрузкой, поставляемой в комплекте с генератором.

Аттенюатор уменьшает амплитуду импульсов в фиксированное число раз.

Измерительный блок представляет собой вольтметр, контролирующий амплитудное значение импульсного сигнала.

К основным метрологическим характеристикам генераторов, которые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:

- форма сигнала;

- диапазон регулирования параметров;

- допустимая погрешность установки каждого параметра;

- максимальная допустимая временная нестабильность параметров;

- допустимые искажения формы сигнала.