Тема: Измерительные генераторы

Уроки 35-36

1. Общие сведения

2. Измерительные генераторы низкой частоты

3. Измерительные генераторы высокой частоты

4. Измерительные генераторы импульсов

стр. 277-297/1/

1. Измерительный генератор – это источник электрических колебаний, частота, напряжение (мощность), спектральный состав и (или) степень модуляции сигнала кото рых могут регулироваться в некоторых пределах и отсчитываться (или устанавливаться) с гарантированной для данного прибора точностью.

Основной эксплуатационной характеристикой измери­тельного генератора является диапазон перекрываемых им частот, fmin — fmax. Это такой частотный интервал, в кото­ром сигнал соответствует всем нормам по точности, пред­писанным данному прибору.

К другим не менее важным эксплуатационным харак­теристикам измерительных генераторов относятся диапа­зон регулировки выходного сигнала, пределы регулировки глубины амплитудной модуляции, значения девиации для режима частотной модуляции, длительности импульса в режиме импульсной модуляции, значения выходного со­противления и т. д.

Регулировка частоты в измерительных генераторах обычно осуществляется двумя способами: ступенчато и плавно. Часть частотного диапазона генератора, в котором частота сигнала устанавливается плавно, называется поддиапазоном. Иногда в измерительных генераторах весь ча­стотный диапазон перекрывается плавно (например, в ге­нераторах на биениях), понятие поддиапазон в таких ге­нераторах не используется.

Амплитуда выходного сигнала устанавливается также двумя способами: изменением опорного уровня сигнала по шкале измерительного прибора или методом сравнения с опорным напряжением и затем установкой необходимого значения ослабления с помощью выходного аттенюатора.

Все измерительные генераторы должны отвечать опре­деленным техническим требованиям в отношении формы генерируемых колебаний, диапазона генерируемых частот, погрешности установки частоты и ее стабильности, преде­лов изменения и погрешности установки выходного напря­жения (мощности), степени модуляции, значения выходно­го сопротивления и т. д.

В измерительных генераторах, выпускаемых промыш­ленностью, погрешность установки частоты не превышает 3%, а коэффициента нелинейных искажений выходного сигнала 1,5 %.

В зависимости от формы выходного напряжения разли­чают измерительные генераторы шумовых сигналов, сину­соидальных колебаний и сигналов несинусоидальной формы.

Измерительные генераторы шумовых сигналов являются источниками случайного шумового сигнала с широким спектром частот и калиброванным уровнем выходного на­пряжения. Они предназначены для измерения коэффициента шума приемно-усилительных устройств, коэффициента усиления и нелинейных искажений усилителей, определе­ния уровня помех, снятия частотных и переходных характеристик электронных устройств и т. д. Серийные измерительные генераторы шумовых сигналов Г2-5Б, Г2-6Б, Г2-37, Г2-41, Г2-43 и др. классифицируются преимущест­венно по диапазону частот. В зависимости от диапазона, в котором находится верхняя граничная частота спектра шума, измерительные генераторы шумовых сигналов делятся на низкочастотные (единицы герц — единицы мегагерц), высокочастотные (единицы мегагерц — сотни мегагерц) и сверхвысокочастотные (сотни мегагерц — десятки гигагерц).

Измерительные генераторы синусоидальных колебаний по диапазону генерируемых частот подразделяются на низ­кочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. Низкочастотные измерительные генераторы являются источниками стабильных синусоидальных колебаний инфразвуковых (0,01—20 Гц), звуковых (20—20 000 Гц) и ультразвуковых (20—200 кГц) частот. Они применяются при испытании и наладке низкочастотных усилителей и электроакустических установок, устройств автоматики и вычислительной техники, градуировке частотомеров и вольтметров, измерении частоты и фазового сдвига мето­дами сравнения, а также для модуляции колебаний высокочастотных генераторов и питания различных измерительных устройств.

Широкое распространение получили измерительные генераторы низкочастотных сигналов ГЗ-2, ГЗ-4, ГЗ-18, Г3-33, ГЗ-З6, ГЗ-102, ГЗ-106 и др.

Высокочастотные (сверхвысокочастотные) измеритель­ные генераторы — это источники маломощных немодулированных или модулированных высокочастотных (сверхвысокочастотных) колебаний с регулируемыми и контроли­руемыми амплитудой, частотой, формой выходного сигнала. Ориентировочно диапазон частот высокочастотныхизмерительных генераторов лежит в пределах от 30 кГц до 300 МГц, а сверхвысокочастотных - от 300 МГц до 10 ГГц. Приборы этой подгруппы (Г4-1А, Г4-18, Г4-42, Г4-68, Г4-70, Г4-93, Г4-102, Г4-106, Г4-11др.) применяются для настройки и испытания приемно-передающих устройств, антенно-фидерных систем и линий радиосвязи.

Измерительные генераторы несинусоидальных сигналов делятся на генераторы прямоугольных импульсов (Г5-15, Г5-35, Г5-47, Г5-48, Г5-54 и др.) и генераторы сигналов специальной формы (Г6-15, Г6-22 и др.).

Измерительные генераторы несинусоидальных сигналом предназначены для настройки и испытания различной ра­диоизмерительной аппаратуры, настройки и регулировки импульсных схем, которые широко используются в технике связи, телевидении, электронных вычислительных маши­нах, радиолокации, телеуправлении и т. д., а также для модуляции генераторов ультравысоких и сверхвысоких ча­стот.

2. Измерительные генераторы низкой частоты в общем случае выполняются в соответствии со структурной схе­мой, приведенной на рис. 26.1. Задающий генератор Г ге­нерирует синусоидальные колебания в заданном диапазо­не частот. Промежуточный усилитель напряжения УН кроме основной функции выполняет также роль буферно­го каскада, уменьшающего влияние выходных цепей на режим работы задающего генератора. Усилитель мощно­сти УМ обеспечивает получение заданной мощности вы­ходного сигнала на нагрузке. Вольтметр V служит для контроля уровня усиленного сигнала, который затем через аттенюатор (делитель напряжения) поступает на выход. Коэффициент ослабления последнего, как правило, гра­дуируется в децибелах.

В зависимости от схемы возбуждения колебаний за­дающего генератора различают три типа измерительных генераторов низкой частоты: LC, RC и генераторы на биениях.

В измерительных генераторах типа LC самовозбуж­дающаяся схема задающего генератора представляет собой электронное устройство с колебательным контуром. Частота возбуждаемых колебаний колебательного устройства определяется формулой

f = 1/(2π ) (26.1)

Для получения низкой частоты в таких устройствах ем­кость конденсатора и индуктивность катушки колебательного контура имеют довольно большие значения. Например, для получения частоты генерируемых колебаний f = 160 Гц произведение LC должно быть равно 1 Гн · мкФ. Колебательный контур, в котором применяется конденсатор большой емкости, трудно конструктивно выполнить с плавной перестройкой частоты. Кроме того, колебатель­ным контур, содержащий катушку с большим значением L, отличается низкой добротностью, а следовательно, и низкой стабильностью частоты. В связи с этим измерительные генераторы низкой частоты типа LC имеют ограниченное применение. Такие схемы находят более широкое применение в генераторах ультразвуковых частот.

Задающий генератор типа RC представляет собой ре­зистивный усилитель с положительной обратной связью. Цепь обратной связи содержит фазосдвигающую (фазирующую) RС-цепь.

Широкое распространение в конструкциях измерительных генераторов низкой частоты типа RC получили задаю­щие генераторы с применением фазирующей RC-цепи, показанной на рис. 26.2.

Устройство представляет собой усилитель напряжения УН, охваченный положительной обратной связью. Элементы Rl, R2, CI, C2 образуют фазирующую RС-цепь. Частота генерируемого сигнала задающего генератора определяется выражением 26.2:

На этой частоте напряжения u₁ (t) и u₂ (t) совпадают по фазе.

Коэффициент затухания фазирующей цепи при R1 = R2 и С1 = С2 равен трем. Это означает, что минимальный коэффициент усиления напряжения усилителя, при кото­ром удовлетворяется условие самовозбуждения, также должен быть равен трем. Это требование выполняется с помощью отрицательной обратной связи, которую наряду с положительной обратной связью можно ввести в усили­тель. Отрицательная обратная связь способствует сниже­нию нелинейных искажений генерируемых колебаний.

Принципиальная электрическая схема задающего ге­нератора измерительного прибора ГЗ-З6 приведена на рис. 26.3. Задающий генератор выполнен на трех транзи­сторах. На транзисторах VT1 и VT3 выполнены усилители напряжения, а на транзисторе VT2 — усилитель мощности (эмиттерный повторитель), который служит для согласо­вания каскадов. Так как выходное напряжение эмиттерного повторителя совпадает по фазе с входным напряжением и число фазоинвертирующих каскадов четное, условие са­мовозбуждения задающего генератора выполняется.

Фазирующая цепь содержит резисторы Rl—R4 и кон­денсаторы С1—С8. Выбор требуемого поддиапазона осу­ществляется переключателем SA1, а плавное изменение частоты в пределах поддиапазона производится измене­нием сопротивлений сдвоенного резистора Rl, R3. В качестве нагрузок усилителей напряжения используются резисторы R7, R8 и R17. Резистор R13 является нагрузкой усилителя мощности. Температурная стабилизация напря­жения смещения транзисторов обеспечивается резистивными делителями R5, R6 и R14, R15, R16, а стабилизация эмиттерного тока - резисторами R9, R10 и R18, R19. Связь между первым и вторым каскадами гальваническая, а между вторым и третьим — емкостная (С10). Конденсатор С11, блокируя переменную составляющую эмиттерного тока транзистора VT3, устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, возникающую на резисторе
R19, что способствует увеличению коэффициента усиле­ния. В целях стабилизации рабочего режима транзисто­ров, уменьшения коэффициента нелинейных и частотных искажений выходного сигнала в схему усилителя введены отрицательные обратные связи по току (резисторы R9, R10, R18) и напряжению (элементы С9, R10, R11, R12). Температурная стабилизация глубины обратной связи обеспечивается термистором R12. С помощью резисторов R7, R14 осуществляется первоначальная установка рабо­чего режима транзисторов.

3. Измерительные генераторы высокой частоты являются источниками синусоидальных колебаний высокой частоты срегулируемыми и контролируемыми параметрами выходного сигнала. Они охватывают большую группу приборов ранее имевших наименование генераторов стандартных сигналов и генераторов сигналов, работающих в широком диапазоне частот.

Нормируются следующие параметры измерительных генераторов высокой частоты: диапазон генерируемых частот, точность установки частоты; стабильность частоты; параметры модуляции; пределы регулирования выходного напряжения (мощности).

Обобщенная структурная схема измерительных генераторов высокой частоты приведена на рис. 26.5. В общем случае любой прибор этой подгруппы состоит из задающе­го генератора Г, буферного усилителя У, измерительного аттенюатора Д, модулятора М и органов контроля параметров выходного сигнала.

Задающий генератор генерирует высокочастотные колебания, близкие по форме к синусоидальным. К нему предъявляются специальные требования в отношении стабильности частоты, уровня искажений выходного сигнала, диапазона генерируемых частот. Диапазон частот генерато­ра, как правило, перекрывается с помощью нескольких поддиапазонов.

Буферный усилитель наряду с усилением генерируе­мых колебаний ослабляет высшие гармоники, исключает влияние последующих цепей на режим работы задающего генератора. Кроме того, усилитель иногда используется для модуляции выходного сигнала.

Измерительный аттенюатор представляет собой прецизионный делитель выходного сигнала с регулируемым ко­эффициентом ослабления. Он служит для ослабления вы­ходного сигнала в заданное число раз, а также для согла­сования генератора с нагрузкой.

Модулятор — это источник низкочастотного или им­пульсного напряжения, который служит для модуляции высокочастотных колебаний по амплитуде, частоте или фазе.

На лицевой панели генератора располагаются приборы и градуированные установочные элементы, которые ис­пользуются для измерения уровня несущего сигнала, коэф­фициента глубины модуляции или коэффициента девиации при частотной модуляции, частоты, коэффициента ослабле­ния аттенюатора и других параметров.

В измерительных генераторах высокой частоты с плав­ным перекрытием диапазона частот применяются задаю­щие генераторы типа LC, выполняемые по так называемой трехточечной схеме и гораздо чаще по схеме с индуктив­ной обратной связью.

Электрическая схема транзисторного LC-генератора с самовозбуждением, выполненного по схеме с индуктивной обратной связью, приведена на рис. 26.6. Колебательный контур, задающего генератора, определяющий частоту ге­нерируемых колебаний, содержит катушку индуктивности L2, подстроечный конденсатор С1 и конденсатор перемен­ной емкости С2. Катушка индуктивности и подстроечный конденсатор сменные. С помощью этих элементов осущест­вляется выбор поддиапазона. Плавная перестройка часто­ты в пределах поддиапазона производится конденсатором переменной емкости. Положительная обратная связь гене­ратора осуществляется через катушку L1, индуктивно связанную с катушкой L2. Режим работы транзистора по постоянному току обеспечивается резисторами R1, R2, R3. Резисторы R2 , R3, кроме того, стабилизируют значение эмиттерного тока транзистора. Подстроечный резистор R2 является также элементом отрицательной обратной связи генератора. Благодаря действию отрицательной обратной связи происходит уменьшение нелинейных и частотных искажений, а также частичная стабилизация уровня выходного сигнала. Блокировкой резистора R3 конденсатором C5 устраняется отрицательная обратная связь по переменному току, возникающая на этом резисторе. Емкостная связь контура с транзистором обеспечивается конденсатором C3. Конденсатор C4 служит для блокировки источника питания по переменному току.

4. Основным признаком, объединяющим такие измеритель­ные приборы, как генераторы импульсов, является форма выходных сигналов — видеоимпульсов прямоугольной фор­мы. Обычно нормируются следующие характеристики из­мерительных генераторов импульсов: диапазон изменения частоты следования импульсов; диапазон изменения дли­тельности импульсов; диапазон изменения амплитуды им­пульсов; стабильность частоты следования импульсов; ис­кажения параметров импульсов.

Типовая структурная схема импульсного генератора (рис. 26.10) содержит задающий генератор Г, устройство задержки 3, блок формирования Ф, выходной усилитель У, аттенюатор Д и измерительное устройство.

Задающий генератор Г возбуждает электрические коле­бания, форма которых обычно отличается от требуемой, но их частота в заданных пределах ее регулирования должна иметь точную установку и высокую стабильность. С этой целью обычно предусматривается возможность синхрони­зации частоты задающего генератора или его запуска. Кро­ме того, колебания задающего генератора подаются на спе­циальный выход для синхронизации или запуска различных систем или приборов, используемых при измерениях совместно с генератором импульсов. В качестве задающих генераторов преимущественно применяются блокинг-генераторы и мультивибраторы.

Упрощенная электрическая схема задающего генератора приведена на рис. 26.11. Блокинг-генератор, используе­мый в качестве задающего генератора, содержит транзис­тор VT1, импульсный трансформатор Т1, зарядно-разрядный конденсатор С1 и резисторы Rl—R4. С помощью резисторов R2—R4 и переключателя SA1 осуществляется вы­бор требуемого поддиапазона, а с помощью резистора R1 - плавная регулировка частоты следования импульсов в пре­делах поддиапазона. В целях повышения уровня стабилизации периода повторения выходных импульсов U_выхнапря­жение питании генератора Е_к поддерживается постоян­ным с помощью дополнительного устройства. Блокинг-генератор работает в режиме большой скважности. Вырабаты­ваемые им импульсы, по форме близкие к прямоугольным, поступают на устройство задержки.

Рис.26.11. Схема задающего генератора