Генераторы низкой частоты

Измерительные генераторы

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.

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

Генераторы гармонических колебаний, как в звуковом, так и в высокочастотном диапазоне, которые обеспечивают генерацию высокостабильной фиксированной частоты, называют задающими генераторами.

Генераторами сигналов часто называют модулирующие устройства.

Генераторы функций вырабатывают на выходе сигналы разной формы: синусоидальной, прямоугольной и др. Они обычно имеют более низкие характеристики, чем специализированные генераторы.

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.

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.

Обобщенная структурная схема измерительных генераторов

Генераторы всех типов состоят в основном из следующих частей: задающего генератора, преобразователя, выходного и измерительных устройств. Обобщенная структурная схема измерительного генератора показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Структурная схема ИГ

Задающий генератор (ЗГ) 1, который является источником колебаний, вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. От качества задающего генератора зависят основные метрологические характеристики всего генератора.

Преобразователь (Пр) 2 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)3 позволяет регулировать уровень выходного сигнала ИГ и изменять его выходное сопротивление, изменять полярность выходных импульсов и др. В составе ВУ могут быть аттенюатор, согласующий трансформатор, повторитель и т. п.

Измерительные устройства (ИУ)4 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.).

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 , а коэффициент обратной связи , то для генерации нужно, чтобы выполнялись два условия, называемые условиями Баркгаузена. Во-первых, усиление  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.

Генераторы низкой частоты

В низкочастотных генераторах синусоидальных сигналов в качестве ЗГ используются RC-генераторы (в LC- генераторах для генерации низких частот требуется большая индуктивность).

Если не предъявляется высоких требований к значению коэффициента гармоник, используются генераторы с частотно-задающей положительной и частотно-независимой отрицательной обратной связью. Для малых значений коэффициента гармоник, более оптимальной является схема с частотно-задающей отрицательной и частотно-независимой положительной обратной связью

На рис. 8.2 показана схема задающего генератора с частотно-задающей положительной и частотно-независимой отрицательной обратной связью на мосте Вина, который в основном используется для частот звукового диапазона с верхней границей примерно до 100 кГц. Мост Вина образуется последовательным и параллельным RC-контурами совместно с резисторами R₁, R₂ и применяется в цепи обратной связи операционного усилителя. Схема Вина имеет нулевой фазовый сдвиг между входом и выходом, поэтому усилитель также должен обеспечивать нулевой фазовый сдвиг. Этой может быть достигнуто, например, с помощью четного числа каскадов усиления.

Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи β₊, образованной резисторами R и конденсаторами С, находится как

β₊ = Z₁/(Z₁ + Z₂), (8.1)

где Z₁ = R + 1/(jωC); Z₂ = R/(1 +jωRC).

Подставляя Z₁, Z₂, получим

β₊ = jωRC/(1 - ω² R² C² + 3jωRC). (8.2)

Рис. 8.2. Рис. 8.3.

Чтобы коэффициент обратной связи был вещественным, необходимо сделать знаменатель мнимым, т. Е. ω² R² C² = 1. При этом ω = 1/CR, а β₊ = 1/3.

Ослабление, создаваемое цепью Вина, равно 3, поэтому минимальный коэффициент усиления усилителя должен быть равен 3.

Отрицательная обратная связь (резисторы R₁ и R₂) повышает стабильность коэффициента усиления. Амплитуда колебаний определяется произведением усиления k и обратной связи β. Изменяя R₂ можно изменить амплитуду колебаний. Включение в цепь отрицательной обратной связи термосопротивления (R₁) ограничивает амплитуду колебаний. При увеличении напряжения на выходе усилителя возрастает ток, протекающий по резисторуR₁, и увеличивается глубина обратной связи, что приводит к снижению выходного напряжения. Таким образом, устанавливается заданная амплитуда колебаний.

Для получения неискаженной формы кривой выходного сигнала усилитель должен работать в линейном режиме.

RC-генератор с фазосдвигающей цепью обратной связи показан на рис. 9.3. Данная схема способна работать в широком интервале частот от нескольких герц, до десятков килогерц. Транзистор дает сдвиг фаз на 180⁰, поэтому трехкаскадная RC-цепь должна также обеспечивать сдвиг на 180⁰. Каждый каскад дает сдвиг на 60⁰, и в этом случае частота колебаний определяется выражением

f = /2πRC (8.3)

Ослабление цепи обратной связи равно 29, поэтому коэффициент усиления усилителя не менее 29. На практике емкость (С) изменяется для плавной перестройки частоты, а резистор (R) –для выбора диапазона.

Для повышения стабильности амплитуды выходного напряжения в генераторах применяются различные, сложные замкнутые системы автоматической стабилизации. (например, двухконтурные системы стабилизации амплитуды, состоящие из точного контура и контура динамической коррекции как в генераторе Г-113).

Генераторы инфранизких частот по схемам RC- или LC-генераторов не выполняются. На инфранизких частотах требуются большие номиналы резисторов, конденсаторов и индуктивностей. На рис. 8.4 приведена одна из возможных структурных схем инфранизкочастотного генератора.

1, 3 – делители напряжения с коэффициентом деления α₁ и α₂;

2, 4 – интеграторы с коэффициентом передачи 1/ωτ₁ и 1/ωτ₂; 5 – инвертор

Рис. 8.4.

Выходной сигнал данной схемы является решением дифференциального уравнения

d²U_вых/dt² + (α₁α₂ /τ₁τ₂)U_вых = 0 (8.4)

Решая данное уравнение, получаем

U_вых(t) = U_m sin ( + φ) (8.5)

т.е. синусоидальный сигнал с частотой

f = (8.6)

Плавное изменение частоты осуществляется изменением коэффициентов деления α₁ и α ₂, а ступенчатое – изменением значений резисторов и конденсаторов , определяющих постоянные времени интеграторов.

Схема генератора позволяет установить желаемую начальную фазу колебаний, что существенно на инфранизких частотах. Для установки начальной фазы заряжают времязадающие конденсаторы в интеграторах до определенного напряжения.

Практические схемы генераторов имеют дополнительную цепь положительной обратной связи для обеспечения незатухающих устойчивых колебаний и узел нелинейной функции, обеспечивающий стабильность амплитуды выходного сигнала генератора.

9.4.2.Генераторы высокой частоты

Структурная схема генератора высокой частоты представлена на рис. 8.5. Высокочастотные колебания с задающего генератора (ЗГ) усиливаются и модулируются в усилителе (У) и через аттенюатор (АТ) поступают на выход. Обычно генераторы могут работать от ряда модулирующих устройств (МУ), например синусоидального или импульсного генераторов, а также внешнего сигнала. Некоторые генераторы имеют частотную модуляцию. В генераторах высокой частоты имеется обычно два вольтметра: В₁ – вольтметр несущей частоты; В₂ – вольтметр измеряющий глубину модуляции (модулометр).

Рис. 8.5.

Высокочастотные измерительные генераторы выполняются на базе LC-генераторов

Резонансная частота LC–цепи равна

f =1/2π (8.7)

В генераторе сигнал этой частоты усиливается и поступает на выход, причем часть сигнала поступает в цепь обратной связи для компенсации потерь в LC-цепи.

Рассмотрим в качестве примеров LC-генераторов индуктивный и емкостный трехточечные генераторы.

Один из вариантов выполнения индуктивного трехточечного генератора показан на рис. 8.6.

Рис. 8.6. Рис. 8.7.

На схеме рис. 8.6 емкость С шунтирует индуктивность с отводом L, и вместе они образуютLC-контур. Обратная связь осуществляется через RC-цепь. Транзистор обеспечивает фазовый сдвиг на 180⁰, а сдвиг еще на 180⁰ между выходом и петлей обратной связи достигается с помощью отвода от индуктивности L. Конденсатор С имеет переменную емкость для изменения частоты генератора.

Один из вариантов емкостного трехточечного генератора показан на рис. 8.7. В схеме используется трансформаторный выход. Схема похожа, на ранее рассмотренную схему, только вместо индуктивности с отводом используются две емкости.

Частота генерации рассчитывается по той же формуле (8.7), в которой

С = С₁С₂ /(С₁ + С₂).

Величина обратной связи зависит от значений С₁ и С₂, она возрастает, когда С₁ уменьшается. РезисторR₂ вызывает затухание колебаний, так что оно не должно выбираться слишком малым, а R₁С₃обеспечивает подачу смещения на базу транзистора.

Для получения необходимого диапазона частот генераторы выполняются многодиапазонными с малым перекрытием по диапазонам. Для получения большого перекрытия по диапазону при заданной неравномерности частотной характеристики применяют схемы на биениях. Структурная схема генератора на биениях представлена на рис. 8.8.

ГФЧ– генератор фиксированной частоты f₀; ГПЧ–генератор перестраиваемой частоты f + ∆f; СМ – смеситель; ФНЧ – фильтр нижних частот

Рис. 8.8.

Частота выходного сигнала изменя­ется от 0 до Δf при относительно небольшой перестройке частоты генератора перестраиваемой частоты (ГПЧ), что и позволяет обеспечить заданную неравномерность частотной характеристики.

Стабильность частоты выходного напряжения определяется стабильностью частоты генераторов ГФЧ и ГПЧ и зависит от отношения f₀/Δf. Чем больше это отношение, тем более высокие требования предъявляются к генераторам ГФЧ и ГПЧ. Схемы этих генераторов выполняются идентично для того, чтобы различные факторы одинаково влияли на оба генератора и в итоге разностная частота оставалась постоянной.

К недостаткам схемы на биениях следует отнести ее от­носительную сложность. Кроме того, при частотах выходного сигнала, близких к нулю, возможен захват частот генераторов (самосинхронизация). Для того чтобы избежать этого явления, схемы генераторов тщательно экранируют и развязывают по питанию, между генераторами и смесителем ставят буферные усилители, а это усложняет схему и конструкцию генераторов на биениях.

9.4.3.Синтезаторы частот

Погрешность установки частоты выходного напряжения рассмотренных схем генераторов определяется качеством исполнения и способами перестройки элементов частотно-избирательных цепей. Эта погрешность составляет (0,5 – 2,5)%. Существенно снизить погрешность можно в синтезаторах частоты.

Известны два типа синтезаторов частот: 1) с прямым синтезом частот; 2) с косвенным синтезом частот.

В приборах с прямым синтезом частот (рис. 8.9) используется стабильный генератор с несколькими каскадами гармонических умножителей и смесителей, что обеспечивает широкий выбор частот на выходе. При умножении и делении f₀ получают ряд сигналов частот f₀n₁ и f₀/n₂, где n₁и n₂ любые целые числа. Последовательное применение этих операций позволяет получить сигналы с частотами f₀n₁/n₂. С помощью смесителя образуются сигналы комбинационных частот. Большое распространение получили декадные синтезаторы, в которых сетка частот определяется соотношением

f_вых = f₀ [M + 10^m (n₁+ 0,1n₂ +0,01n₃ + 0,001n₄ + …)], (8.8)

где n₁, n₂, n₃, … – целые числа натурального ряда от 0 до 9; М и m – фиксированные величины, определяющие диапазон частот синтезатора. Минимальное дискретное изменение f_ВЫХ называется шагом сетки частот. При малых шагах (например, 0,01 Гц) уже не имеет значение, что f_ВЫХ изменяется дискретно, а не плавно.

Рис. 8.9. Рис. 8.10.

Частотная декада преобразует одну из опорных частот f_i в несколько частот в пределах одного десятичного разряда. Число этих частот определяется конкретным видом соотношения (8.7).

При прямом синтезе каждая декада представляет собой генератор гармоник f_i, которые выделяются при помощи полосовых фильтров. Декады содержат обычно один или два смесителя в сочетании с делителем частоты в 10 раз и включаются последовательно или параллельно. Верхняя граница частоты в таких синтезаторах достигает сотен мегагерц (порядка 500 МГц).

При косвенном синтезе частот каждая декада имеет кольцо фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и может выполняться как с умножением, так и с делением частоты.

На рис. 8.10 показана одна из возможных схем подобных синтезаторов частот. Напряжение частотой f_П/К_Д (К_Д – коэффициент деления УДЧ) с выхода управляемого генератора (УГ) через управляемый делитель частоты (УДЧ) поступает на один вход фазового детектора (ФД), на второй вход которого с кварцевого генератора (КГ) через делитель частоты (ДЧ) поступают опорные колебания с частотой f₀/n (n – коэффициент деления ДЧ). В результате сравнения фаз двух колебаний на выходе ФД формируется напряжение, которое, изменяет выходную частоту УГ и пропорционально интегралу от разности частот f_П/К_Д и f₀/n.

Выходные колебания УГ и КГ смешиваются в смесителе (СМ), на выходе которого будет сигнал с частотой f = f₀ - f_П. ФНЧ предназначен для подавления высших гармоник разностной частоты. Изменяя коэффициент деления УДЧ, можно перестраивать частоту выходных сигналов в широких пределах.

При соответствующем выборе значения f₀ (для некоторых схем f₀ в пределах 1 – 10 МГц) можно с помощью одного синтезатора перекрыть диапазоны инфранизких, низких и высоких частот.

Следует отметить, что метод косвенного синтеза эффективен и в СВЧ диапазоне, но при этом схемы фазовой автоподстройки значительно усложняются и предусматривают последовательное преобразование частот СВЧ генератора.

Погрешность установки частоты в таких синтезаторах может составлять (10^-5 - 10^-3) %. Недостатком является относительно высокий уровень нелинейных искажений (0,2 – 0,5) %.