Измерительные генераторв

Содержание

 

 

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Классификация измерительных генераторов 4

2. Основные параметры измерительных генераторов 5

3. Обобщенная структурная схема измерительных генераторов 7

4. Генераторы гармонических (синусоидальных) сигналов 8

5. Генераторы импульсов 9

6. Генераторы случайных сигналов 10

7. Генераторы  качающейся частоты 11

8. Генераторы шумовых сигналов 14

ЛИТЕРАТУРА 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Устройства, генерирующие электрические сигналы  широко используются в различных  областях науки и техники. Измерительные  генераторы применяются при проверке и настройке различных приборов, определении частотных характеристик  схем, например усилителей, и т. д. Измерительные  генераторы бывают разных типов и, как  правило, каждый из них выполняет  несколько функций.

Определение электрических характеристик почти  любого радиоэлектронного устройства производится по его реакции на входной  сигнал с заданными параметрами. Получение сигналов с заданными  параметрами обеспечивает измерительный  генератор – источник электрических  сигналов, частота, напряжение (мощность), спектральный состав или степень  модуляции сигналов которого может  регулироваться в некоторых пределах и устанавливаться (или отсчитываться) с гарантированной для данного  прибора точностью.

С помощью  измерительных генераторов можно  снимать амплитудные, амплитудно-частотные  и переходные характеристики четырехполюсников (например, усилителей), определять их коэффициенты передачи, настраивать  радиоприемники, телевизоры, радиопередатчики и т. п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация измерительных генераторов.

 

Классифицировать  измерительные   генераторы (ИГ) можно  по многим признакам: по форме выходного  сигнала они могут быть подразделены на генераторы гармонических колебаний, генераторы прямоугольных импульсов, генераторы импульсов треугольной  формы и др.;

По виду выходного сигнала различают  следующие измерительные генераторы:

• гармонических (синусоидальных) колебаний;
• импульсные;
• сигналов специальной формы;
• качающейся частоты (свип-генераторы);
• шумовых сигналов.

По диапазону  частот генераторы синусоидальных колебаний  подразделяют на:

• низкочастотные (20Гц-200кГц), так же генераторы инфразвуковых частот (0,01-100 Гц).
• высокочастотные (30кГц-30МГц),
• сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом (30МГц-10ГГц)
• сверхвысокочастотные с волновым выходом (выше 10ГГц).

По виду модуляции различают генераторы :

• с амплитудой синусоидальной модуляцией,
• с частотной синусоидальной модуляцией,
• с импульсной модуляцией (амплитудной манипуляцией),
• с частотной манипуляцией,
• с фазовой манипуляцией,
• с несколькими видами манипуляции
• с комбинированной модуляцией (с одновременным наложением двух или более видов модуляции).

Генераторы  частот бывают двух типов:

1. автогенераторы, у которых сигнал  на  выходе  можно непрерывно перестраивать в пределах диапазона частот механическим или электронным методом. Они имеют хорошие общие характеристики, но точность и стабильность частоты относительно невелики. Погрешность установки частот в подобных схемах определяется качеством исполнения задающего генератора и способами перестройки элементов частотно-избирательных цепей. Обычно эта погрешность составляет (0,5-2,5) %;
2. синтезаторы частот, у которых источником выходного сигнала служит генератор высокостабильной фиксированной частоты, а частотный диапазон перекрывается несколькими последовательными операциями. В синтезаторах можно существенно понизить погрешность установки частоты.

Импульсные  измерительные генераторы принято  классифицировать по числу каналов, характеру последовательности импульсов  и основной погрешности установки  значений параметров импульсов. 

 

 

 

 

2. Основные параметры измерительных генераторов.

 

Важнейшими  параметрами измерительных генераторов  являются: диапазон частот выходного  сигнала (частотный диапазон); параметры, характеризующие форму выходного  сигнала; погрешность установки  частоты; погрешность установки  выходного напряжения; выходная мощность или выходное напряжение; выходное  полное сопротивление.

          Частотный диапазон генераторов  лежит от сотых долей герца  (лабораторные приборы работают  от 0,00005 Гц) до частот СВЧ - диапазона.  Широкодиапазонные генераторы обычно  выполняются с несколькими поддиапазонами. 

          Форма выходного сигнала для  различных генераторов характеризуется  различными параметрами. Генераторы  синусоидального сигнала характеризуются  коэффициентом нелинейных искажений.                                

          Для генераторов прямоугольных  импульсов указывается длительность  фронта и спада импульса, величина  выбросов на вершине импульса  и после его окончания, величина  спада плоской вершины импульса.

          К параметрам генераторов относится  также и неравномерность частотной  характеристики, которая показывает  величину изменения выходного  сигнала при изменении частоты.

          Погрешность установки частоты  определяется по двучленной формуле  вида  ±(аf + b) Гц, где f - частота  выходного сигнала.

          В генераторах может нормироваться  также уход частоты после прогрева  генератора. Стабильность частоты  зависит от старения элементов,  температурного дрейфа, изменений  в источнике питания.

          Стабильность амплитуды характеризует  изменение амплитуды сигнала  со временем при фиксированной  частоте. Погрешность установки  выходного сигнала определяется  погрешностью вольтметра на выходе  генератора и погрешностью аттенюатора. 

          Для достижения требуемого полного  выходного сопротивления к генератору  может подключаться последовательно  добавочные сопротивления. Многие  генераторы имеют 600-омный выходной  аттенюатор.

          Измерительные генераторы должны  иметь широкие пределы изменения  выходного напряжения  (мощности), высокую стабильность выходного  сигнала, хорошую экранировку,  низкий уровень шумов на выходе.

 

3. Обобщенная структурная схема измерительных генераторов.

 

          Генераторы  всех  типов  состоят   в  основном  из  следующих   частей:   задающего генератора, преобразователя, выходного и  измерительных устройств.

Задающий  генератор (ЗГ), который является источником колебаний,  вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. От качества задающего генератора зависят основные метрологические характеристики всего генератора.

Преобразователь (Пр)  выполняет различные функции. Он может повышать энергетический уровень  сигнала ЗГ (усилитель напряжения или мощности), формировать определенную форму (модулятор), образовывать сетку  частот в синтезаторах (умножитель, делитель и преобразователь частоты), кодовые комбинации импульсов и  др.

 Выходное  устройство (ВУ)  позволяет регулировать  уровень выходного сигнала ИГ  и изменять его выходное сопротивление,  изменять полярность выходных  импульсов и др. В составе ВУ  могут быть:

• эмиттерный (катодный) повторитель;
• каскад, преобразующий однополярные импульсы в импульсы обеих полярностей;
• коммутатор полярности импульсов;
• делитель напряжения.

Измерительные устройства (ИУ) обеспечивают установку  параметров генерируемых сигналов с  нормированной погрешностью. Функцию  измерительных устройств могут  выполнять отсчетные устройства функциональных узлов ИГ (например, частотные шкалы задающих генераторов, шкалы ослаблений аттенюаторов и  др.) или встроенные измерительные  приборы (вольтметры или ваттметры, частотомеры, осциллографические индикаторы и др.).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. - Схема измерительных генераторов.

 

 

 

 

4. Генераторы гармонических (синусоидальных) сигналов.

 

          Генераторы гармонических колебаний  строятся по различным схемам  и их можно разделить на  низкочастотные ИГ (20 Гц – 300 кГц), высокочастотные (30 кГц – 300 МГц), сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц). К источникам гармонических сигналов  относятся также генераторы качающейся  частоты (ГКЧ) и синтезаторы  частот.

          Особенностью генератора качающейся  частоты является автоматическое  изменение (качание) частоты.

          Генераторы гармонических сигналов  состоят в основном из трех  частей: задающего генератора, усилителя  мощности  и цепи обратной связи,  которая вводится с целью компенсации  потерь в схеме генерации (часть  энергии с выхода усилителя  передается обратно на вход). Если  коэффициент усиления равен k, а коэффициент обратной связи  b, то для генерации нужно,  чтобы  выполнялись два условия, называемые  условиями Баркгаузена. Во-первых, усиление kb в петле обратной связи  должно быть равно единице,  во-вторых, фазовый сдвиг между  входным напряжением и напряжением  обратной связи должен быть  равен нулю. Усилитель с нечетным  числом каскадов дает фазовый сдвиг 180 0, поэтому цепь обратной связи должна также обеспечивать фазовый сдвиг180 0  на частоте генерации.

 

 

5. Генераторы импульсов.

 

          Генераторы импульсов разделяются  по форме выходных импульсов,  которая может быть прямоугольной,  треугольной, пилообразной и т.д.  Наиболее распространены генераторы  импульсов прямоугольной формы. 

          Задающий генератор (ЗГ) вырабатывает  импульсы в заданном интервале  частот, которые поступают на  формирователь импульсов (Ф1). Сформированные  импульсы выводятся для синхронизации  внешних устройств (осциллографов,  генераторов и т.д.) и поступают  на вход устройства задержки (УЗ). Задержанные импульсы служат  для запуска формирователя импульсов  (Ф2). Формирователь Ф2 вырабатывает  импульсы определенной формы  и требуемой длительности. Эти  импульсы усиливаются выходным  усилителем (ВУ). Амплитуда импульсов  измеряется пиковым вольтметром  (В). Установка, и изменение амплитуды  импульсов обеспечивается с помощью  выходного аттенюатора АТ. 

          В ряде случаев возникает необходимость  генерировать импульсы синхронно  с воздействием на измерительный  генератор внешних пусковых сигналов. В этом случае генератор импульсов  с помощью ключа SA переводится  в режим внешнего запуска.

          В качестве ЗГ в генераторах  импульсов используются: блокинг-генераторы, мультивибраторы, RC- и LC –  генераторы.  Для генерирования прямоугольных  импульсов часто используются  интегральные микросхемы (таймеры).

6. Генераторы случайных сигналов.

 

К основным характеристикам генераторов случайных  сигналов относятся: спектральная плотность S0(ω) и  номинальная корреляционная функция R0(τ) выходного сигнала; ширина спектра , определяемая разностью крайних  частот диапазона, в котором отклонение спектральной плотности от заданной не превышает допустимого значения; номинальный интегральный закон  распределения мгновенных значений выходного сигнала F0(х) или его  числовые характеристики; среднее квадратическое отклонение s0, максимальное значение выходного  напряжения UШ; пиковый коэффициент UШ/ s0  и др.

          Отличие состоит в задающем  генераторе, который вырабатывает  шумовой сигнал с равномерной  спектральной плотностью в заданном  интервале частот.

          В генераторах случайных сигналов  в качестве вольтметра используется  вольтметры действующих значений  с большим временем усреднения, которое определяется заданным  диапазоном частот выходного  сигнала и погрешностью измерения.

          В качестве задающих генераторов  используются источники вырабатывающие  аналоговый шумовой сигнал, которые  могут быть электромеханическими, радиоактивными и электронными.

          Электромеханические источники  конструктивно сложны и дают  узкую ширину спектра выходного  сигнала.

          Радиоактивные обладают сложностью  конструкции и нестационарностью  выходного сигнала, обусловленной  снижением активности радиоактивного  элемента во времени. Кроме  того, при их использовании нужна  биологическая защита от радиоактивного  излучения.

          Наибольшее распространение получили  электронные источники шума, к  которым относятся резисторы,  электронные лампы, газоразрядные  трубки, полупроводниковые шумовые  диоды.

          Металлические резисторы используются  в высокочастотных генераторах  случайных сигналов. Спектральная  плотность металлических резисторов  равномерна в диапазоне частот  до 1010 Гц и выше.

          В диапазоне низких частот  используются непроволочные резисторы,  многосеточные лампы и стабилитроны.

          Используемые полупроводниковые  шумовые диоды имеют спектральную  плотность  (10-11 – 10-9 ) В2/Гц  и   ширину  спектра (1 – 3,5 МГц). Но  они характеризуются  сильной   температурной  зависимостью  спектральной  плотности (-1,1% / C0).

          Аналоговые генераторы случайных  сигналов можно разделить на  три группы: генераторы с непосредственным  усилением сигнала источника  шума; генераторы основанные на  использовании флюктуаций фазы  и амплитуды «периодических»  колебаний; генераторы с преобразованием  спектра высокочастотного шума.

          Генераторы с преобразованием  спектра высокочастотного шума  характеризуются равномерным и  достаточно интенсивным спектром  в области низких и инфранизких  частот и получили наибольшее  распространении.

          Преобразование спектра шума  может осуществляться двумя способами:  гетеродированием и нелинейным  преобразованием.

          Характеристики генераторов случайных  сигналов зависят от многих  параметров схемы и поэтому  трудно обеспечить малые погрешности  параметров выходного сигнала.

 

 

 

7. Генераторы качающейся частоты.

 

К генераторам качающейся частоты (ГКЧ — его устаревшее название Свип-генератор) относятся источники гармонических колебаний со специальным (линейным, логарифмическим и т. д.) законом автоматического изменения частоты в пределах заданной полосы качания. Полоса качания ∆f определяется как разность конечного f_к и начального f_н, значений частоты, т.е. ∆f = f_к-f_н .В зависимости от ее значения ГКЧ делятся на узкополосные (∆f не более 1 % максимальной частоты рабочего диапазона или поддиапазона), широкополосные (∆f > 1 %) и комбинированные.

Упрощенная структурная схема ГКЧ содержит источник модулирующего напряжения, задающий генератор, схему формирования частотных меток, выходной блок и цифровой индикатор уровня, фиксирующий выходное колебание.

Основными параметрами данных генераторов  являются частотные и амплитудные показатели. К первым относят диапазон рабочих частот, полосу качания, длительность автоматического качания частоты, нелинейность ее перестройки и т. д. Ко вторым — уровень выходной мощности (напряжения) при работе на согласованную нагрузку, неравномерность этого уровня при перестройке частоты и прочее. К генераторам качающейся частоты предъявляются достаточно жесткие требования по линейности модуляционной характеристики, постоянству выходного уровня мощности и значению побочной модуляции.

Генераторы качающейся частоты  строятся по прямому методу генерации  и методу биений. В диапазоне от десятых и даже сотых долей  герц до десятков мегагерц используют функциональные генераторы с электронным управлением частотой. При этом частоту таких генераторов можно регулировать, изменяя ток заряда (разряда) емкости интегратора. При наличии преобразователей цифровых кодов в сигналы управления исполнительными элементами, возможно дистанционное и программное изменение частоты.

В достаточно широких пределах автоматическое качание частоты без коммутации элементов колебательной системы легко реализуют в низкочастотных генераторах на биениях. При этом в качестве перестраиваемого гетеродина может служить LC-генератор с электронным управлением частотой.

В настоящее время разработаны  несколько способов управления частотой высокочастотных LC-генераторов. Практическое применение находит способ перестройки частоты путем изменения величины барьерной емкости p-n-перехода полупроводникового диода — варикапа. Емкость его pn-перехода полностью или частично включается в цепь колебательного контура генератора. Модулирующее напряжение, воздействуя на диод изменяет его барьерную емкость, а, следовательно, и частоту генерируемых колебаний.

В области СВЧ генераторы качающейся частоты строят на маломощных клистронах, диодах Ганна, транзисторах и лампах обратной волны (ЛОВ).

При использовании клистронов линейная частотная модуляция колебаний  достигается за счет использования  пилообразного напряжения, подаваемого  на один из его электродов (отражатель). Максимальная девиация частоты ограничивается диапазоном электронной перестройки  частоты клистрона. К недостаткам  ГКЧ на клистронах следует отнести  наличие побочной амплитудной модуляции, возникающей из-за непостоянства выходной мощности в пределах зоны генерации.

Возможность электронной перестройки частоты  генераторов СВЧ на диодах Ганна  обеспечивается применением варикапов, изменяющих эквивалентную емкость  резонатора или ферромагнитных сред в переменном магнитном поле (ЖИГ-сферы). Частотная модуляция колебаний  ЛОВ осуществляется пилообразным напряжением, подводимым к ускоряющему электроду. Недостатком ЛОВ, так же как и  клистрона, является наличие побочной амплитудной модуляции. Кроме того, задающий генератор на ЛОВ имеет более громоздкую конструкцию и требует более сложных источников питания. Основное достоинство ЛОВ – чрезвычайно широкий диапазон перестройки по частоте (порядка октавы). 

8. Генераторы шумовых сигналов.

 

Шумовым сигналом называется совокупность одновременно существующих электрических колебаний, частоты и амплитуды которых носят случайный характер. Типичным примером шумового сигнала являются электрические флуктуации. Генераторы шума вырабатывают шумовые измерительные радиотехнические сигналы с нормированными статистическими характеристиками.

Генераторы шума применяются в  качестве источников флуктуационных помех  при исследовании предельной чувствительности радиоприемных и усилительных устройств, в качестве калиброванных источников мощности при измерении напряженности поля или шумов внеземного происхождения, в качестве имитаторов полного сигнала многоканальной аппаратуры связи, для измерения нелинейных искажений и частотных характеристик радиоустройств с помощью анализатора спектра с постоянной полосой пропускания.

Основным требованием к генераторам шума является равномерность спектрального состава шумового сигнала в возможно большей полосе частот, от 0 до оо («белый» шум), а практически — от единиц герц до десятков гигагерц. Такой измерительный сигнал позволяет исследовать устройство или систему одновременно во всем диапазоне рабочих частот. В реальных генераторах «белый» шум получить невозможно, но для любого устройства, полоса пропускания которого во много раз меньше спектра шумового сигнала, последний можно считать «белым».

По диапазону генерируемых частот генераторы шума делятся на низкочастотные (20 Гц — 20 кГц и 15 Гц — 6,5 МГц); высокочастотные (1—600 МГц); сверх высокочастотные (500 МГц — 12 ГГц).

Рисунок 2. – Принципиальная схема  шумового генератора.

Основной  узел шумового генератора — задающий генератор (рис. 2). Его сигналы должны иметь равномерную спектральную плотность мощности по всей требуемой полосе частот (теоретически это белый шум), достаточное выходное напряжение (мощность) шумового сигнала; неизменность и воспроизводимость характеристик шума во времени и при изменении внешних влияний; заменяемость после истечения гарантийного срока работы без нарушения выходных параметров генератора. Наибольшее распространение в качестве источников шума получили резисторы, вакуумныеи полупроводниковые диоды, фотоэлектронные умножители и газоразрядные лампы.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Валитов Р. А., Сретенский В. Н. Радиотехнические измерения. - М.: 1970. – 135 с.
2. Кушнир Ф. В., Савенко В. Г., Верник С. М. Измерения в технике связи. - М.: 1970. – 202 с.
3. Осипов К. Д., Пасынков В. В. Справочник по радиоизмерительным приборам ч. 5. М.: 1964. - 305 с.
4. Ремез Г. А. Курс основных радиотехнических измерений 3 изд. - М.: 1966. – 391 с.
5. Гладышев Г. И., Батура В. Г., Воронцов А. Н. Краткий справочник по радиоизмерительной аппаратуре. – М.: 1966. – 460 с.