Генераторы гармонических колебаний

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Назначение и классификация измерительных генераторов

 

Измерительный генератор (ИГ) представляет собой источник электрических сигналов определенной формы, параметры которых (частота, напряжение, мощность) могут регулироваться и поддерживаться с требуемой точностью.

В измерительных технологиях ИГ используются для имитации рабочих сигналов, как вспомогательное устройство в процессе измерений, а также для питания измерительных цепей, при настройке и испытаниях измерительной, радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры, устройств автоматики и др.

 

Классификация измерительных генераторов.

По форме выходного сигнала:

- источники постоянного напряжения

- генераторы переменных периодических напряжений

- гармонических

- импульсных (релаксационных) колебаний прямоугольной, треугольной, пилообразной формы и т.п.

- генераторы сигналов специальной формы

- амплитудно-, частотно- , фазомодулированных сигналов

- тестовых двоичных последовательностей

- генераторы шума;

 

По частотному диапазону генераторы делятся на:

- инфракрасночастотные (0,01 - 20 Гц)

- низкочастотные ( НЧ 20 Гц – 300 кГц)

- высокочастотные ( ВЧ 0,3 – 300 МГц)

- сверхвысокочастотные (СВЧ, свыше 300 МГц)

 

Основными нормируемыми метрологическими характеристиками измерительных генераторов являются

- диапазон частот вырабатываемого сигнала

- диапазон уровней сигнала

- пределы искажения формы сигнала

- нестабильность частоты

- погрешность установки частоты

- погрешность установки выходного напряжения

- выходное сопротивление

и многие другие.

 

Наиболее часто в процессе измерений используются генераторы гармонических колебаний или импульсных сигналов прямоугольной формы. Гармонический сигнал является универсальным с точки зрения процедуры измерения, поскольку рабочие сигналы любой сложной формы включают в себя набор гармонических составляющих. Двоичные импульсные сигналы используются в процессе измерений параметров цифровых систем.

 

Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического решения генераторы гармонических и импульсных сигналов включают в себя

- задающий генератор (нелинейный усилитель с положительной обратной связью)

- источник питания

- устройства, обеспечивающие развязку с нагрузкой

- устройства, обеспечивающие заданную мощность и выходное сопротивление.

 

Рассмотрим принципы построения функциональной схемы измерительных генераторов.

 

Генераторы гармонических колебаний

Измерительные генераторы гармонических колебаний выполняются в двух видах:

- генераторы сигналов ГС

- генераторы стандартных сигналов ГСС.

 

ГСС имеют более высокие показатели стабильности частоты и формы, но меньший диапазон уровней сигнала, маркируются Г4-... .

Генераторы сигналов ГС маркируются Г3-... .

 

Основные требования к генераторам синусоидальных колебаний:

- получение сигнала заданной формы с минимальными нелинейными искажениями (нелинейные искажения вызваны наличием в схеме нелинейных элементов и проявляются в виде дополнительных высших гармоник, уровень которых не должен превышать допустимый процент от уровня всего сигнала);

- получение необходимой частоты колебаний в заданном пределе (возможна непрерывная плавная регулировка частоты или использование фиксированных частот);

- получение необходимого уровня выходного напряжения в заданных пределах (при плавной или фиксированной регулировке);

- получение необходимого стандартного значения выходного сопротивления;

- точность установки параметров

- стабильность параметров во времени.

 

Построение функциональной схемы измерительных генераторов во много определяется основными требованиями к генераторам. Обобщенные функциональные схемы ИГ гармонических колебаний представлены на рисунке 5.4.1

 

 

 

Рисунок 5.4.1 Обобщенные функциональные схемы измерительных генераторов:

а - генератор сигналов, б – генератор стандартных сигналов.

 

Основным узлом ИГ является задающий генератор. ЗГ вырабатывает напряжение синусоидальной формы требуемой частоты. В зависимости от схемы задающего генератора различаю генераторы следующих типов:

- RC-генераторы

- Генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты

- Генераторы на биениях.

Принцип действия задающих генераторов рассматривается в специальных дисциплинах. Частота колебаний, стабильность частоты и точность ее установки определяется типом и параметрами ЗГ. Наилучшие метрологические характеристики обеспечиваются генераторами с кварцевой стабилизацией частоты, относительная погрешность установки частоты в этих генераторах составляет 10^-6 ÷ 10^-7, нестабильность частоты 310^-7 ÷ 310^-9, коэффициент гармоник 1-2%

Буферный элемент обеспечивает развязку ЗГ с нагрузкой, то есть исключает влияние нагрузки на режим работы задающего генератора и его параметры.

 

Усилитель мощности обеспечивает получение опорной мощности (уровня) сигнала на выходе генератора. Здесь же осуществляется плавная регулировка опорного уровня выходного напряжения. Диапазон данной регулировки невелик, поскольку допустим только в пределах линейной части вольт-амперной характеристики усилителя. Это ограничение важно с точки зрения выполнения другого требования к измерительным генераторам – обеспечение минимальных нелинейных искажений.

 

Ряд измерительных генераторов имеют индикатор напряжения выходного напряжения, который позволяет контролировать плавную регулировку уровня, а также иногда используется в процессе градуировки генератора.

 

Аттенюатор (магазин затуханий) позволяет ослабить опорное выходное напряжение относительно номинального. Такая регулировка уровня (напряжения) является ступенчатой и позволяет расширить диапазон регулировки уровня выходного сигнала поскольку одной плавной регулировки порой недостаточно.

Аттенюатор должен быть калиброванным, то есть вносимое затухание задается с определенной степенью точности. Аттенюатор обычно градуируется в логарифмических единицах, например, -10дБ, -20дБ, -40дБ и.т.д.

 

Для передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку должно быть выполнено условие согласования сопротивлений измерительного генератора и нагрузки. Данное требование выполняется согласующим трансформатором.

 

Генераторы стандартных сигналов ГСС являются маломощными с низким уровнем выходного напряжения (до 1В), они обычно применяются при испытании и настройке узлов радиоаппаратуры. Основные требования, предъявляемые к ним – высокая стабильность частоты, уровня, минимальные нелинейные искажения.

В генераторах стандартных сигналов предусматривается возможность получения амплитудномодулированного сигнала за счет использования внутреннего или внешнего источника модуляции (рисунок 5.4.1).

 

Существенное уменьшение погрешности и улучшение других метрологических характеристик достигается в измерительных генераторах, в которых задающий генератор выполнен на базе синтезатора частоты. Принцип работы синтезатора частоты основан на многократном преобразовании опорной частоты f₀, получаемой от генератора с кварцевой стабилизацией, в сетку дискретных выходных частот f_вых. Таким образом, обеспечивается получение сигналов с высокой стабильностью частоты в диапазоне от единиц герц до десятков мегагерц с шагом дискретности установки частоты 0,1…0,01 Гц. Диапазон частоты выходных сигналов синтезаторов частоты 20 Гц…50 МГц; погрешность установки опорной частоты 1*10^-8.

 

Генераторы сигналов низких частот являются источниками электрических колебаний синусоидальной формы в диапазоне частот от 20 Гц до 300 кГц. Имеется тенденция к расширению этого диапазона вниз до единиц герц и вверх до единиц мегагерц.