Глава 8 измерительные генераторы сигналов

8.1. Общие сведения

Измерительные генераторы (ИГ) — источники, вырабатывающие стабильные испытательные сигналы с известными параметрами, частотой, напряжением (мощностью) и формой. Измерительные генераторы обладают высокой точностью установки и стабильностью, а также возможностью регулировки параметров выходного сигнала. Их применяют при настройке измерительной и радиоэлектронной аппаратуры, устройств автоматики и вычислительной техники, градуировке приборов. С помощью ИГ снимают амплитудные, амплитудно-частотные и переходные характеристики четырехполюсников, определяют их коэффициенты передачи и шума; питают различные измерительные устройства, построенные на резонансных и мостовых методах.

По диапазону частот генерируемых сигналов различают ИГ инфранизкочастотные — до 20 Гц; низкочастотные — 20—200 000 Гц (20—20 000 Гц — звуковые, 20 000—200 000 Гц — ультразвуковые); высокочастотные — 20 кГц — 50 МГц; сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом— 50 МГц—10 ГГц; сверхвысокочастотные с волноводным выходом — выше 10 ГГц.

По форме генерируемых сигналов различают ИГ синусоидальные; импульсные (источники одиночных или периодических видеоимпульсов прямоугольной формы); специальной формы (треугольной, трапецеидальной, пилообразной, синусквадратной и др.); качающейся частоты (маломощные источники колебаний со специальным, часто линейным законом изменения частоты); шумовые (источники переменных напряжений с бесконечно широким сплошным спектром частот и калиброванным уровнем).

По виду модуляции различают ИГ с модуляцией амплитудной синусоидальной, частотной синусоидальной, импульсной, частотной, фазовой, комбинированной (одновременное осуществление двух видов модуляции или более).

Измерительные генераторы характеризуются диапазоном генерируемых частот; точностью установки частоты и постоянством ее градуировки; стабильностью генерируемых сигналов по времени, частоте, амплитуде и форме; искажением генерируемых сигналов заданной формы; зависимостью параметров выходного сигнала от внешней нагрузки и пределами их регулировки; степенью экранирования паразитных электромагнитных полей.

8.2. Низкочастотные измерительные генераторы

синусоидальных колебаний

Низкочастотные ИГ (звуковой и ультразвуковой частот) вырабатывают синусоидальные колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц— 200 кГц), амплитудой (от долей милливольт до 150 В) при нескольких фиксированных значениях сопротивления нагрузки, максимальной мощностью 1 мВт—10 Вт.

Нелинейные искажения синусоидального выходного сигнала характеризуются коэффициентом гармоники (%), равным отношению среднего квадратического напряжения суммы всех гармоник сигнала U₂,..., U_k, кроме первой, к среднему квадратическому напряжению U₁ первой (основной) гармоники:

Коэффициент K_г зависит от значений частоты и выходной мощности сигнала.

Диапазон генерируемых частот характеризуется коэффициентом перекрытия /Спер, равным отношению максимальной генерируемой частоты f_mах к минимальной f_min

Расширение диапазона генерируемых частот возможно за счет применения частичных поддиапазонов.

Стабильность частоты ИГ определяется отношением абсолютного изменения .частоты Δf к начальной частоте f_о при определенных условиях:

где f₁ — частота ИГ, измененная внешними условиями.

Точность установки частоты определяется качеством шкальных устройств и механизмов органов настройки.

Абсолютная погрешность установки частоты для ИГ

где _f — относительная погрешность; n — минимальное значение абсолютной погрешности установки частоты, Гц.

Измерительные генераторы имеют малое выходное сопротивление, значение которого можно регулировать для согласования с сопротивлением внешней нагрузки. В них предусматривается регулировка в широких пределах частоты и напряжения (мощности) выходного сигнала.

Измерительный генератор состоит из задающего генератора, усилителя мощности, выходного устройства (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема измерительного генератора низкой частоты

Задающий генератор (возбудитель) создает стабильные по частоте и амплитуде синусоидальные колебания в требуемом диапазоне частот. Он во многом определяет характеристики ИГ (форму или периодичность выходного сигнала). В зависимости от схемного решения задающего генератора ИГ делят на LC-генераторы, генераторы на биениях и RC-генераторы.

Усилитель мощности обеспечивает развязку задающего генератора от нагрузки, усиливает напряжение (мощность) генерируемых колебаний (повышает энергетический уровень сигналов) на заданной нагрузке, т. е. согласует выход задающего генератора с выходным устройством ИГ.

Выходное устройство состоит из аттенюатора, согласующего трансформатора, электронного вольтметра. Аттенюатор изменяет, а электронный вольтметр контролирует уровень выходного напряжения (мощности), подводимого к нагрузке. Согласующий трансформатор согласует выходное сопротивление ИГ с сопротивлением нагрузки, что обеспечивает получение максимальной выходной мощности и минимальных нелинейных искажений.

LC-генераторы.

В LC-генераторах частота генерируемых колебаний f определяется емкостью С и индуктивностью L колебательного контура задающего генератора, работающего в режиме самовозбуждения:

Основные недостатки LC-генераторов — громоздкость колебательного контура и сложность его перестройки. Для создания измерительного генератора с регулируемой частотой 20 Гц...20 кГц, т. е. при коэффициенте перекрытия K_пер=10³, требуются большие емкости и индуктивности. Широкого распространения LC-генераторы не получили; изготовляются они на узкий диапазон частот либо на одну или несколько фиксированных частот.

Генераторы на биениях.

Задающий генератор составлен из двух высокочастотных, близких по частоте маломощных генераторов LC-типа, смесителя и фильтра низких частот (рис. 8.2).

Рис 8.2. Схема генератора на биениях

Генератор фиксированной частоты генерирует колебания частоты f₁ генератор регулируемой частоты генерирует колебания с частотой f₂, которая плавно регулируется в некоторых пределах. Напряжения этих частот через буферные каскады (катодные или эмиттерные повторители) поступают на смеситель. В результате взаимодействия колебаний с частотами f₁ и f₂ на выходе смесителя образуются колебания серии комбинационных частот ±mf₁ ± nf₂ (m и n — целые числа) и частоты f, равной разности частот f₂—f₁. Фильтр низких частот задерживает высшие частоты и выделяет разностную частоту, т. е. частоту биений f, напряжение которой усиливается в усилителе низких частот и через аттенюатор подается на выход.

Значения частот f₁ и f₂ выбирают такими, чтобы разностная частота лежала в диапазоне низких частот (например, f₁ = 180 кГц, f₂= 180÷200 кГц, f= 0÷20 кГц). Недостатки генераторов на биениях — сложность схемы и относительная нестабильность низкой частоты. Однако эти генераторы применяют в измерительной технике, так как выходное напряжение в них не

зависит от частоты и весь диапазон выходных частот плавно меняется с изменением емкости переменного конденсатора в колебательном контуре генератора регулируемой частоты. По схеме генератора на биениях выполнены генераторы ГЗ-18, ГЗ-104.

RC-генераторы.

Наиболее распространенными ИГ низкой частоты являются RC-генераторы, выполненные по схеме, изображенной на рис. 8.1 и характеризующиеся простотой схемы и хорошими характеристиками. Задающий RC-генератор представляет собой двухкаскадный усилитель с RC положительной частотно-зависимой связью (рис. 8.3). Положительная обратная связь создается фазирующим делителем, образованным резисторами и конденсаторами R1, С1 и R2, С2, предназначенными для обеспечения условий самовозбуждения лишь на одной частоте.

Рис. 8.3. Схема RC-генератора

Условие генерации напряжения синусоидальной формы

где К=Ке^jφ — комплексный коэффициент передачи усилителя; β = βе^jψ — комплексный коэффициент обратной связи.

Из уравнения (8.6) следуют условия баланса амплитуд Кβ = 1 и фаз φ+ψ=2πn (n=1, 2, ....).

Так как RC-генератор обычно строится по схеме двух-каскадного усилителя на резисторах, для которого φ=2π (К — вещественная величина), то для выполнения условия баланса фаз угол ψ должен быть равен нулю (коэффициент β должен быть вещественным).

Из рис. 8.3 видно, что β=Z₂/(Z₁+Z₂). Подставив в это выражение значения Z₁ = [R₁+l/(jωC₁)] и Z₂=R₂/(l+jωC₂R₂) с учетом R₁=R₂=R и C₁= C₂ = C, получим

β = 1/[3 + j(ωCR — 1/(ωCR))]. (8.7)

Чтобы коэффициент β был вещественным (ψ =0), мнимая часть уравнения (8.7) должна быть равна нулю: ωCR — 1/(ωCR) = 0, откуда частота самовозбуждения

ω=1/(CR) (8.8)

На данной частоте β =1/3.

Изменение частоты, при которой имеет место баланс фаз, достигается изменением сопротивления R и емкости С.

Условие баланса амплитуд выполняется при K=3. Генератор с малым коэффициентом усиления работает нестабильно. Чтобы сохранить стабильность во всем рабочем диапазоне генерирования, применяют усилители с большим коэффициентом, но вводят дополнительную отрицательную обратную связь, которая регулируется автоматически и позволяет уменьшить коэффициент усиления до K=3 и обеспечить работу усилителя в пределах линейного режима.

Цепь отрицательной обратной связи представляет собой делитель напряжения, образуемый из инерционного нелинейного резистора R3 с отрицательным температурным коэффициентом (термистора) и резистора R4, с которого снимается напряжение отрицательной обратной связи. Эта связь стабилизирует работу генератора во всем диапазоне генерируемых частот и автоматически поддерживает уровень выходного напряжения задающего генератора неизменным. Например, при увеличении выходного напряжения увеличивается ток в цепи отрицательной обратной связи, что приводит к уменьшению сопротивления термистора, т. е. к увеличению коэффициента обратной связи и приближению выходного напряжения к номинальному значению. Частоту генератора регулируют изменением сопротивлений резисторов Rl, R2 и емкостей конденсаторов Cl, C2 фазирующей цепи. Ступенчатое изменение значений сопротивления позволяет весь диапазон частот разбивать на несколько поддиапазонов. Плавная установка частоты внутри поддиапазонов достигается изменением емкости С конденсаторов.

Усилитель мощности предназначен для создания необходимой мощности на нагрузке во всем диапазоне генерируемых частот. Напряжение на выходе усилителя изменяется от нуля до максимума с помощью резистора, включенного на его входе. Усилитель состоит из каскадов усиления напряжения и мощности. Каскад усиления напряжения представляет собой фазоинвертор, превращающий однотактное входное напряжение в двухтактное; каскад усиления мощности — усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме с глубокой отрицательной обратной связью, нагрузкой которого является выходное устройство (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Схема выходного устройства генератора

Напряжение на выходе усилителя измеряется вольтметром. Выходное устройство состоит из градуированного аттенюатора и согласующего трансформатора СТр и вольтметра.

Аттенюатор (ослабитель) представляет собой рези-стивный делитель напряжения и состоит из последовательно соединенных ,Т- и П-образных звеньев, которые при коммутации обеспечивают ослабление сигнала ступенями, т. е. N = 20 lg.(£/вх.атт/£/вых.атт), ГДе £/вх.атт,

f/вых.атт — входное и выходное напряжения аттенюатора; N — ослабление сигнала, дБ. Особенность аттенюатора заключается в том, что значения входного /?Вх.атт и выходного /?вых.атт сопротивлений мало зависят от установленного значения ослабления.

Калибровка аттенюатора осуществляется при условии работы на согласованную нагрузку; при этом на на-

грузке выделяется максимально возможная выходная мощность и достигаются малые нелинейные искажения сигнала. Поэтому вторичная обмотка трансформатора СТр выполняется секционированной, число ее витков изменяют таким образом, чтобы приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки RH было равно сопротивлению ./?i первичной обмотки трансформатора СТр и одинаково для всех указанных (на лицевой панели ИГ) значений нагрузки, т. е.

°вх атт " ^вых.атт = Ai = Лн Я , (°.")

где n = Wi/w2 — коэффициент трансформации трансформатора Стр; w\ и W2 — соответственно число витков первичной и каждой секции вторичной обмоток.

Для выполнения условия согласования при различных значениях сопротивления нагрузки RIS коэффициент

трансформации п = У Ri/RH, а число витков w2 = V

Переключение выхода генератора на различные нагрузки производится переключателем В1. В положении переключателя В1—атт — к выходным зажимам подключается непосредственно выход аттенюатора. Аттенюатор обычно рассчитывают на активную нагрузку 600 Ом, поэтому коэффициент трансформации п= У600/60 = = 3,16 для /?„ = 60Ом; п=\ для /?н = 600Ом; гс = 0,316 для RH = 6000 Ом.

При высокоомной внешней нагрузке, превышающей наибольшее значение, указанное на лицевой панели измерительного генератора, условия согласования выполняются только при включенной к зажимам аттенюатора внутренней нагрузке RBU, равной 600 Ом, когда трансформатор СТр отключается и напряжение на нагрузку подается непосредственно с точек а и b аттенюатора (переключатель В2 находится в положении «включено»).

При работе на несимметричную нагрузку один из выходных зажимов (1 или 2) трансформатора СТр соединяют с заземленным зажимом 4.

Вторичная обмотка трансформатора СТр имеет вывод 3 от средней точки, что позволяет в 2 раза уменьшить значение выходного сопротивления, а также получить одновременно два напряжения, равных по значению, но противоположных по фазе.

Вольтметр подключается к входу аттенюатора и служит для контроля выходного напряжения ИГ. Он представляет собой электронный вольтметр средневыпрямленного значения. Все характеристики точности установки уровня выходного напряжения с помощью аттенюатора и шкалы вольтметра градуируются при работе ИГ на несимметричную нагрузку 600 Ом. Шкала вольтметра отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала — в вольтах, а также в децибелах. Ослабление в децибелах отсчитывается относительно уровня 0,775 В [20 lg {U/0,775)].

По схеме RC-генераторов выполнены ИГ синусоидального напряжения низкой частоты ГЗ-33; ГЗ-34; ГЗ-102; ГЗ-109. Большинство современных ИГ не имеет выходного согласующего трансформатора. Они рассчитаны на выходное напряжение 5—10 В на нагрузке 600 Ом. Выходное сопротивление таких ИГ не регулируется.