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 Фильтр низких частот задерживает высокие 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.

5.2.3. RC-генераторы

Наиболее распространенными ИГ низкой частоты являются RC-генераторы, выполненные по схеме, изображенной на рис. 8.1. Они отличаются простотой схемы и хорошими характеристиками. Задающий RC-генератор представляет собой двухкаскадный усилитель с RC положительной частотно-зависимой связью (рис. 8.3).

Рис. 8. 3. Схема RC генератора

Положительная обратная связь создается фазирующим делителем, образованным резисторами и конденсаторами R₁, C₁ и R₂, C₂, предназначенными для обеспечения условий самовозбуждения лишь на одной частоте.

Условие генерации напряжения синусоидальной формы

, (8.1)

где = Ке^jj – комплексный коэффициент передачи усилителя; b = be^jy – комплексный коэффициент обратной связи.

Из (8. 1) следуют условия баланса амплитуд K_b = 1 и фаз j + y = 2pn (n = 1, 2, …). Так как RC-генератор обычно строится по схеме двухкаскадного усилителя на резисторах, для которого j = 2p (К – вещественная величина), то для выполнения условия баланса фаз угол y должен быть равен нулю (коэффициент b должен быть вещественным).

Из рис. 8. 3 видно, что ( = Z₂/(Z₁ + Z₂). Подставив в это выражение значения Z₁ = [R₁ + 1/(jw)C₁)] и Z₂ = R₂/(1 + jwC₂R₂) с учетом R₁ = R₂ = R и С₁ = С₂ = С, получим

. (8.2)

Чтобы коэффициент b был вещественным (y = 0), мнимая часть уравнения (8.2) должна быть равна нулю: wCR – 1/(wCR) = 0, откуда частота самовозбуждения w = 1/(RC). На данной частоте b = 1/3.

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

Условие баланса амплитуд выполняется при К = 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 К = 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 неизменным уровень выходного напряжения задающего генератора. 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, изменяя сопротивление резисторов R₁, R₂ и емкость конденсаторов C₁, С₂ 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). Напряжение на выходе усилителя измеряется вольтметром.

Рис. 8. 4. Схема выходного устройства генератора

Выходное устройство состоит из градуированного аттенюатора и согласующего трансформатора СТр и вольтметра.

Аттенюатор (ослабитель) представляет собой резистивный делитель напряжения и состоит из последовательно соединенных Т- и П-образных звеньев, которые при коммутации обеспечивают ослабление сигнала ступенями, т.е. N = 20lg(U_{вх. атт}/U_{вых. атт}), где U_{вх. атт}, U_{вых. атт} – входное и выходное напряжения аттенюатора; N – ослабление сигнала, дБ. Особенность аттенюатора заключается в том, что значения входного R_{вх. атт} и выходного R_{вых. атт} сопротивлений мало зависят от установленного ослабления.

Калибровка аттенюатора осуществляется при условии работы на согласованную нагрузку; при этом на нагрузке 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 R_н было равно сопротивлению R₁ первичной обмотки трансформатора СТр и одинаково для всех указанных (на лицевой панели ИГ) значений нагрузки, т.е.

где n = w₁/w₂ – коэффициент трансформации трансформатора СТр; w₁ и w₂ – соответственно число витков первичной и каждой секции вторичной обмотки.

Для выполнения условия согласования при различных значениях сопротивления нагрузки R_н коэффициент трансформации , а число витков .

Переключение выхода генератора на различные нагрузки производится переключателем B₁. В положении переключателя В₁ – Атт к выходным зажимам подключается непосредственно выход аттенюатора. Аттенюатор обычно рассчитывают на активную нагрузку 600 Ом, поэтому коэффициент трансформации для R_н = 60 Ом; n = 1 для R_н = 600 Ом; n = = 0, 316 для R_н = 6000 Ом.

При высокоомной внешней нагрузке, превышающей наибольшее значение, указанное на лицевой панели измерительного генератора, условия согласования выполняются только при подключенной к зажимам аттенюатора внутренней нагрузке R_вн, равной 600 Ом, когда трансформатор СТр отключается и напряжение на нагрузку подается непосредственно с точек a 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 два 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 – вольтах, а также децибелах. Ослабление в децибелах отсчитывается относительно нулевого уровня 0, 775 В [20lg (U/0,775)].

Нулевой уровень напряжения получен из условия, что на сопротивлении 600 Ом выделяется мощность 1 мВт (нулевой уровень мощности). Формула расчета Р = U²/R = I²R; нулевой уровень тока 1,29 мА. Если между генератором и нагрузкой не выполняется условие согласования, то выходное напряжение генератора необходимо измерять внешним вольтметром.

По схеме RC-генераторов выполнены большинство генераторов Г3. Многие измерительные генераторы не имеют выходного согласующего трансформатора. Они рассчитаны на выходное напряжение 5¸10 В на нагрузке 600 Ом, измеряемое внешним вольтметром. Выходное сопротивление таких генераторов не регулируется.