5. Генераторы измерительных сигналов
5.1. Назначение, классификация и нормируемые технические
характеристики
Генераторы измерительных сигналов (ГИС) – это источники напряжения, вырабатывающие сигналы различной формы, частоты и уровня, или имитаторы реальных электрических сигналов. ГИС применяются при исследовании свойств различных электрических и электронных устройств, а также при настройке, наладке и ремонте электронного оборудования.
Буквенно-цифровое обозначение ГИС начинается с буквы «Г» и цифры, обозначающей подгруппу:
Г1 - установки для поверки измерительных генераторов;
Г2 - генераторы шумовых сигналов;
ГЗ - генераторы сигналов низкочастотные;
Г4 - генераторы сигналов высокочастотные;
Г5 - генераторы импульсов;
Г6 - генераторы сигналов специальной формы;
Г8 - генераторы качающейся частоты (свип-генераторы).
По частотному диапазону ГИС делятся на:
-
генераторы НЧ сигналов – 20 Гц…200 кГц, среди них:
а) генераторы звуковых частот (ЗЧ) – до 20 кГц;
б) генераторы ультразвуковых частот (УЗЧ) – до 200 кГц.
2) генераторы ВЧ сигналов – до 30…50 МГц;
3) генераторы сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов – до 10 ГГц и выше.
В ГИС применяются различные виды модуляции: амплитудная, частотная, угловая и комбинированная.
К основным нормированным метрологическим характеристикам ГИС относят:
1) диапазон частот вырабатываемых сигналов, который определяется схемотехникой построения генератора;
2) погрешность установки частоты, которая определяется качеством шкальных устройств и приводных механизмов;
3) нестабильность частоты, под которой понимают относительное изменение частоты вырабатываемых сигналов под воздействием температуры, влажности, изменения частоты питающей сети, старение элементов и т.д. Для обеспечения стабильности частоты применяют кварцевые резонаторы и термостаты;
4) максимальная выходная мощность при согласованной нагрузке;
5) выходное сопротивление ГИС.
Представим ГИС в виде эквивалентной схемы:
Рис. 38
Мощность, развиваемая на выходе ГИС:
.
Ответим на вопрос:
при каком значении тока
генератор отдаёт в нагрузку максимальную
мощность:
,
следовательно,
- условие согласования сопротивлений.
Согласование сопротивлений может быть обеспечено:
а) подключением внутренней нагрузки в генераторе;
б) подключением
параллельно к выходным зажимам генератора
внешнего резистора с сопротивлением,
равным
;
в) с помощью согласующего трансформатора.
5.2. Генераторы низкочастотных измерительных сигналов
Обобщённая структурная схема:
Рис. 39
На рисунке 39: ЗГ – задающий генератор, УН – усилитель напряжения, ВыхУ – выходное устройство, УМ – усилитель мощности, ИП – измерительный прибор.
Сигналы синусоидальной формы вырабатывает ЗГ. Применяются различные схемы ЗГ: RC, LC, генераторы на биениях.
Наибольшее распространение получили ЗГ в виде RC-автогенераторов.
УН и (или) УМ обеспечивает заданный уровень на выходе генератора. В составе этого узла может быть эммитерный (истоковый) повторитель, для согласования сопротивлений и обеспечения развязки ЗГ и нагрузки; подключение любой нагрузки не должно влиять на характеристики сигналов, вырабатываемых генератором. Обычно в усилителе расположен переменный резистор, обеспечивающий плавную регулировку выходного усиления сигнала. Выходное устройство ВыхУ состоит из аттенюатора или набора аттенюаторов, с помощью которых обеспечивается ступенчатое изменение выходного напряжения генератора, а также согласующего трансформатора, назначение которого – обеспечение согласования сопротивлений (выходного сопротивления ГИС и входного сопротивления нагрузки).
Измерительный прибор (ИП), который, как правило, есть в составе ГИС, контролирует уровень сигнала на выходе усилителя. В качестве ИП применяются электромеханические ИП выпрямительной системы (сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма и предшествующего ему выпрямительного ИПр).
RC-автогенератор – это усилитель, охваченный цепочкой частотнозависимой ПОС. Её реализуют с помощью моста Вина.
Мост Вина представляет собой цепочку вида:
Рис. 40
Если выбрать
и
,
то условие гармонического баланса
выполняется на частоте самовозбуждения
генератора
.
Уравнение гармонического баланса:
,
где
.
- коэффициент передачи усилителя,
- коэффициент передачи цепи ОС.
Уравнение гармонического баланса распадается на два:
- условие баланса
амплитуд;
- условие баланса
фаз.
Как известно, при
,
следовательно, для выполнения баланса
амплитуд необходимо обеспечить
.
Обычно однокаскадный
усилитель инвертирует фазу на
.
Следовательно, для обеспечения баланса
фаз усилитель должен быть, как минимум,
двухкаскадным. Коэффициент усиления
такого усилителя составляет сотни…тысячи
(далеко не 3). Поэтому в усилитель вводится
цепочка отрицательной ОС по напряжению,
что уменьшает значение
и улучшает характеристики усилителя
(уменьшает нелинейные искажения).
Перестройка частоты
осуществляется ступенчато, путем
переключения сопротивлений резисторов
и
,
которые на практике представляют собой
несколько параллельно включенных
резисторов, скачкообразное изменение
сопротивлений этих резисторов позволяет
ступенчато переключать частоту. В
пределах поддиапазонов для плавной
регулировки частоты используются
конденсаторы переменной емкости.
Генераторы могут иметь симметричный
или несимметричный выход:
Рис. 41
На рисунке 41 с.т. – средняя точка обмотки.
У наиболее распространённых генераторов НЧ сигналов выходное сопротивление имеет одно из значений: 5, 50, 100, 600 Ом.