Генераторы синусоидальных колебаний

Генераторы синусоидальных колебаний для средств измерения выполняются в двух видах: генераторы сигналов (ГС) и генераторы стандартных сигналов (ГСС). Генераторы стандартных сигналов имеют более высокие показатели стабильности частоты и формы колебаний, но меньшие уровни по амплитуде, чем ГС.

Обобщенные структурные схемы измерительных генераторов типа ГС и ГСС показаны на (рис. 9.2). Структурная схема генератора сигналов представлена на (рис. 9.2 а), а генератора стандартных сигналов — на (рис. 9.2 б).

В LC-генераторах, для которых выполняются условия баланса амплитуд и фаз, частота в основном определяется резонансом колебательного контура, как это показано, например, на (рис. 9.3 а).

Частота колебаний

f = 1/2π .

К LC-генераторам относятся и генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. Этот способ стабилизации основан на применении вместо LC-контуров кварцевого резонатора, что снижает нестабильность частоты до 10^‒7 (отклонение частоты на ∆_f = 0,1Гц от генерируемой f = 1МГц).

Кварцевый резонатор представляет собой помещенную в кварцедержатель тонкую прямоугольную пластину, вырезанную из кристалла кварца, грани которой ориентированы по осям кристалла. Кварц обладает прямым и обратным пьезоэлектрическими эффектами (пьезоэффектами). Прямой пьезоэффект возникает при сжатии или растяжении кварцевой пластины и сопровождается появлением на ее гранях электрических зарядов.

Однако LC-генераторы находят ограниченное применение в измерительной технике, так как частота их трудно перестраивается в широких пределах, а на низких частотах требуются слишком большие величины индуктивностей и емкостей.

В измерительных генераторах синусоидальных колебаний чаще применяются схемы с RC-цепями — обычно с мостом Вина (рис. 9.3 б), который предназначен для сдвига фазы сигнала на 180°. Схема генератора строится на базе усилителя, у которого в широком диапазоне частот коэффициент передачи K является вещественной величиной, а фазовый сдвиг φ = 2π обеспечивается за счет моста Вина и преобразования сигнала в каскадах усиления.

Для выполнения условия (9.5) необходимо, чтобы коэффициент передачи цепи положительной обратной связи также был величиной вещественной.

Из схемы (рис. 9.3 б) видно, что коэффициент представляет собой следующее отношение:

K_о.с = Z₂/(Z₁ + Z₂),

где Z₁ и Z₂ — комплексные сопротивления;

Z₁ = R + 1/jωC; Z₂ = R/(1 + jωCR).

После преобразований этих соотношений получим формулу

K_о.с = 1/[3 + j(ωCR ‒ 1/ωCR)].

Величина K_о.c становится вещественной, когда

ωCR ‒ 1/ωCR = 0.

Следовательно, частота синусоидальных колебаний

ω = 1/RC,

или

f = 1/2πRC.

При этом параметр K_о.с = 1/3, а K = 3.

В реальных схемах автогенераторов применяют усилитель с большим коэффициентом усиленияK, а для стабилизации частоты его охватывают дополнительной цепью отрицательной обратной связи.

Характеристики звуковых генераторов. Генераторы звукового диапазона частот (низкочастотные генераторы) обычно имеют значительный уровень мощности выходного сигнала (до 5...10Вт). Однако такая мощность может выделяться только на согласованной нагрузке, например на нагрузке 60, 600, 6000Ом, поэтому на выходе генератора часто включается согласующий трансформатор. Показания электронного вольтметра выходного напряжения будут также правильными только при согласованной нагрузке генератора. Погрешность установки частоты генератора можно снизить до величины, меньшей 1%. Повышение стабильности частоты достигается путем применения прецизионных внешних элементов (конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов).

Кроме того, для повышения стабильности частоты таких схем измерительных генераторов часто применяют задающие генераторы на биениях. Упрощенная структурная схема такого генератора представлена на (рис. 9.4). Здесь колебания низкой частоты образуются путем смешивания двух близких по частоте синусоидальных колебаний f₁ и f₂ в преобразователе (на рис. 9.4 он изображен в виде смесителя). При этом частота f₂ может меняться от f₁ до f₁ + F, где F — наибольшая частота рабочего диапазона. На выходе смесителя получают комбинационные частоты, в том числе и промежуточную частоту F_п.ч = f₂ – f₁. Колебания промежуточной частоты F_п.ч выделяются с помощью фильтра промежуточных частот.

Характеристики высокочастотных генераторов. В измерительных системах для радиочастотного диапазона используются как ГС, так и ГСС. Генераторы сигналов имеют большую среднюю мощность выходного сигнала (до 3Вт) и применяются для питания измерительных передающих антенн и других мощных устройств. Генераторы стандартных сигналов представляют собой маломощные источники сигнала с низким уровнем выходного напряжения (до 1В). Они применяются при испытаниях и настройке узлов радиоаппаратуры. К основным требованиям, предъявляемым к ГСС, относятся высокая стабильность частоты и амплитуды выходного сигнала; малый коэффициент нелинейных искажений.

В генераторах стандартных сигналов предусматривается возможность получения амплитудной модуляции за счет использования как внешнего, так и внутреннего источников напряжения. Внутренняя модуляция обычно имеет частоты 400 и 1000Гц.

Генераторы инфранизких частот. Упрощенная структурная схема генератора инфранизких частот аналогична схеме ГС звуковых частот (см. рис. 9.2 а). Ее главное отличие заключается в том, что в нее включена схема задающего генератора. Задающий генератор может выполняться либо по схеме генератора на биениях, либо по схеме, представляющей собой электронную модель колебательного звена без затухания.

Структурная схема электронной модели колебательного звена, включенного в цепь положительной обратной связи автогенератора инфранизких частот, показана на (рис. 9.5 а). Электронная модель содержит усилитель и два последовательно включенных интегратора.

Усилительное и интегрирующее звенья (рис. 9.5 б и в) описываются следующими уравнениями:

U₂ = ‒(R₂U₀/R₁) = ‒KU₀; dU₂/dt = ‒(U₀/τ),

где K — коэффициент усиления усилителя, K = R₂/R₁; τ — постоянная времениRC-цепи, τ = RC.

Частота колебаний генератора

ω₀ = /τ.

Примерные параметры подобных генераторов при работе в стандартных условиях (температура, влажность и т.д.) имеют следующие значения: нестабильность частоты около 0,25%, амплитуда выходного напряжения достигает 25В.

Генераторы сверхвысоких частот. Генераторы сверхвысоких частот, или СВЧ-генераторы, работают в диапазоне частот от 1,0 до 40ГГц. По типу выходного соединителя с исследуемой схемой они подразделяются на коаксиальные и волноводные, причем последние являются более высокочастотными. Для СВЧ-генераторов характерным является однодиапазонное построение с небольшим перекрытием по частоте (около октавы — в два раза). Некалиброванная выходная мощность СВЧ-генератора составляет несколько ватт, а калиброванная достигает нескольких микроватт. Шкалы калиброванных аттенюаторов СВЧ-генераторов градуируются в децибелах, а у генераторов ГСС — в децибелах и микроваттах.

Генераторы сверхвысоких частот необходимы для настройки и регулировки радиоприемных устройств, радиолокационных и радионавигационных станций, систем космической связи и спутникового вешания, измерения параметров антенн и т.д. Обобщенная структурная схема СВЧ-генератора приведена на (рис. 9.6).

Отличительной особенностью измерительных генераторов этого типа являются относительная простота электронной части схемы и сложность механических узлов. Схема СВЧ-генератора включает в себя задающий СВЧ-генератор, импульсный модулятор, измеритель малой мощности, частотомер и калиброванный аттенюатор. Все высокочастотные узлы генератора соединяются волноводами 1.

На (рис. 9.6) P_СВЧ — мощность СВЧ-генератора. Задающие СВЧ-генераторы измерительных приборов выполняются на отражательных клистронах с внешним или внутренним резонатором, на диодах Ганна, лавиннопролетных диодах или на лампах бегущей волны.

В измерительных СВЧ-генераторах необходима тщательная экранировка, так как утечки энергии излучения с ростом частоты возрастают. Провода питания выполняются в виде коаксиальных кабелей со специальным наполнителем, который хорошо поглощает энергию СВЧ-излучения. Повышенные требования предъявляются и к источникам питания, так как активные элементы СВЧ-диапазона весьма чувствительны к нестабильности питающих напряжений.

В качестве примера остановимся на принципе действия задающего СВЧ-генератора на базе отражательного клистрона. Его упрощенная схема показана на (рис. 9.7). Клистрон относится к электронным электровакуумным приборам, представляющим собой сочетание объемного СВЧ-резонатора 4 с электронной лампой. В его состав входят катод 2 с нагревателем 1, ускоряющий электрод 3, отражатель 6, объемный резонатор со встроенными в него сетками 5 и источники ускоряющего напряжения U₀ и напряжения отражателя U_отр. На схеме d — пространство зоны управления, D — пространство дрейфа. В клистроне происходит так называемое динамическое управление электронным потоком, т.е. управление скоростями полета отдельных электронов (рис. 9.8 а).

Принцип действия клистрона как генератора колебаний заключается в следующем. Пучок электронов ускоряется положительным потенциалом, приложенным к ускоряющему электроду или объемному резонатору, в некоторых конструкциях играющему роль ускоряющего анода. Затем электроны проходят через зазор или сетку резонатора-анода и попадают в тормозящее поле, создаваемое отражательным электродом, заряженным отрицательно. Если величина этого поля достаточна, то электроны изменяют направление своего движения и двигаются обратно к резонатору-аноду. При прохождении через резонатор в сторону отражателя электроны изменяют свою скорость под влиянием незначительного обусловленного хаотическим движением электронов напряжения между сетками. Это вызывает частичную группировку электронов при дальнейшем их движении в пространстве между резонатором и отражателем.

Возвращающиеся электроны замедляются высокочастотным полем резонатора, т.е. они отдают часть своей энергии в резонатор, таким образом, увеличивая величину переменного напряжения в зазоре. Возрастание напряжения, в свою очередь, приводит к углублению модуляции по скорости, улучшению группировки электронов, увеличению передаваемой энергии резонатору и т.д. В результате в резонаторе устанавливаются незатухающие колебания. Колебания в генераторе на отражательном клистроне возбуждаются только при определенных соотношениях между напряжениями на аноде и отражателе.

Генерируемая частота в основном определяется частотой настройки резонатора. Она также зависит от скорости и времени пролета электронов в замедляющей зоне, т.е. от напряжений на аноде и отражателе. Изменяя напряжение на отражателе при постоянном напряжении на аноде, можно перестраивать клистрон по частоте в пределах 1%.

На (рис. 9.8 а) показаны моменты нахождения отдельных электронов условного потока в управляющем поле U. Электроны, находящиеся в этом поле, не отклоняются, а только изменяют скорость в моменты времени, когда напряжение не равно нулю (электроны 2, 4, 6). Электроны 1, 3, 5 не изменяют начальной скоростиV. Если теперь дать возможность электронам пролететь некоторое расстояние дальше (в пространстве дрейфа D), то ускоренные электроны (их скорость составляет V + ∆V) будут догонять электроны, вылетевшие раньше и не изменившие своей скоростиV (электроны 2 догоняют электроны 1).

Замедленные электроны 4 (их скорость V ‒ ∆V) будут сближаться с электронами 5, вылетевшими позже. В равномерном вначале потоке электронов появятся их сгустки и разрежения по плотности — числу электронов в пространстве дрейфаD (рис. 9.8 б).

Такой процесс протекает и в клистроне. Под действием положительного напряжения U₀, приложенного к ускоряющему электроду и резонатору, электронный поток выходит из катода и пронизывает зазор между сетками резонатора. В результате действия флуктуации потока в резонаторе на резонансной частоте наводится слабое СВЧ-напряжение. Это напряжение, возникшее в результате флуктуации, в свою очередь, будет изменять скорость электронов.

Данное изменение скорости электронов происходит в пространстве зоны управления d между сетками объемного резонатора. За резонатором в пространстве дрейфа D модулированный по скорости поток электронов постепенно превращается в поток, модулированный по плотности. Эти сгустки электронов попадают в тормозящее поле отрицательно заряженного отражателя (оно создано напряжением U_отр), которое поворачивает электроны назад, и они снова проходят зазор между сетками объемного резонатора.

Обратное прохождение потока электронов между сетками увеличивает энергию СВЧ-колебаний, если отраженный пучок электронов возвращается в резонатор через интервалы времени 3T/4, (3T/4 + T), (3T/4 + 2T) и т.д. Это время можно изменять в небольших пределах напряжениями U₀ и U_отр. Следовательно, таким же образом можно изменять в малых пределах частоту генерации клистрона f = 1/T.