Лекция №3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Для решения различных измерительных задач (измерение чувствительности радиоприемных устройств, снятие амплитудно-частотных и переходных характеристик, определение быстродействия переключающихся схем и т. д.) требуются источники электрических сигналов со строго определенными параметрами. Подобными источниками обычно служат измерительные генераторы.

Измерительные генераторы – это экранированные источники электрических сигналов, мощность (напряжение) и степень модуляции которых могут быть фиксированными или регулируемыми в определенных пределах.

Измерительные генераторы подразделяют на следующие виды:

1) генераторы сигналов низкой частоты (ГНЧ) – источники гармонических немодулированных или модулированных сигналов инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых частот;

2) генераторы сигналов высокой частоты (ВНЧ) – источники гармонических немодулированных или модулированных сигналов высоких и сверхвысоких частот;

3) генераторы качающейся частоты (свип-генераторы) – источники гармонических сигналов, частота которых автоматически изменяется в пределах устанавливаемой полосы частот;

4) генераторы импульсов – источники одиночных или периодических видеоимпульсных сигналов, форма которых близка к прямоугольной;

5) генераторы сигналов специальной формы – источники одиночных или периодических видеоимпульсных сигналов, форма которых отлична от прямоугольной;

6) генераторы шумовых сигналов – источники электрических шумовых сигналов, значение спектральной плотности мощности которых или мощность шума в требуемой полосе частот известны.

Современные измерительные генераторы гармонических сигналов перекрывают диапазон частот от тысячных долей герц и до десятков гигагерц. В зависимости от конструктивных особенностей, присущих приборам, работающим в разных частях этого диапазона, измерительные генераторы делятся на: низкочастотные (до 300 кГц); высокочастотные (от 30 кГц до 300 МГц); сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом (от 300 МГц до 18 ГГц); сверхвысокочастотные с волноводным выходом (свыше 6 ГГц). Такая классификация обусловлена особенностями конструктивных решений колебательных цепей и электронных приборов (транзисторы, диоды, клистроны), пригодных для работы в данном диапазоне частот.

Установка и регулировка частоты осуществляется ручным или автоматическим способом. Отдельную группу приборов образуют генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты.

Для имитации реальных сигналов в генераторах предусмотрена возможность модуляции гармонических колебаний. По виду модуляции генераторы делятся на приборы с амплитудной и частотной синусоидальной модуляцией, амплитудной, частотной и фазовой импульсной модуляцией и с однополюсной модуляцией.

Выходной уровень напряжения (мощности) измерительных генераторов может быть калиброванным или некалиброванным. Калиброванный уровень напряжения изменяется от десятых долей вольт до сотых долей микровольт, а мощности – от единиц мкВт до 10^-14 Вт. Выходная мощность генераторов с некалиброванным уровнем может достигать нескольких ватт. Основными метрологическими характеристиками генераторов гармонических сигналов являются погрешности установки частоты и выходного уровня сигнала, нестабильность частоты, параметры выходного сигнала при модуляции, максимальная выходная мощность на согласованной нагрузке.

Генераторы импульсных сигналов формируют одиночные или парные прямоугольные импульсы с частотой повторения от долей герц до сотен мегагерц, длительностью от долей наносекунды до нескольких секунд и амплитудой от единиц милливольт до десятков вольт.

Основными метрологическими характеристиками генераторов синусоидальных сигналов являются: погрешность установки частоты; нестабильность частоты; погрешность установки выходного уровня сигнала; максимальная выходная мощность сигнала на согласованной нагрузке; параметры выходного сигнала при модуляции, коэффициент (нелинейных) гармонических искажений.

Все метрологические (технические) характеристики сигналов в рамках данной лекции мы рассматривать не будем. Ограничимся лишь рассмотрением коэффициента гармонических искажений.

Нелинейным искажением называется изменение формы гармонического сигнала, возникающее в результате его прохождения через устройство, содержащее нелинейные элементы. (В генераторах сигналов нелинейными элементами являются, главным образом, ламповые и полупроводниковые усилители сигналов).

Искаженный негармонический сигнал содержит в своем спектре постоянную составляющую, первую гармонику (основную частоту f) и высшие гармоники с частотами 2f, 3f, ... Нелинейное искажение гармонического сигнала оценивается коэффициентом гармоник K_g, равным отношению среднеквадратического напряжения гармоник сигнала (кроме первой) к среднеквадратическому значению напряжения первой гармоники:

. (1)

Коэффициент гармоник часто выражается в процентах.

Нелинейные искажения сигнала любой формы оцениваются коэффициентом нелинейности K_н, который вычисляется по формуле

(2)

(отношение среднеквадратического значения высших гармонических к среднеквадратическому значению напряжения всех гармоник, т. е. к напряжению сигнала). Формулы (1) и (2) связаны соотношением:

, (3)

из которого следует, что при K_н £ 10 % оба выражения дают практически одинаковые результаты.

Имеются и другие методы оценки нелинейности – комбинационный, статистический, которые больше характеризуют нелинейные свойства радиотехнических устройств, чем искажения сигналов.

Нелинейные искажения сигнала измеряют гармоническим методом, который реализуется двумя способами – аналитическим и интегральным. Аналитический способ основан на формуле (1) и осуществляется по схеме рисунка 2. Гармонический сигнал генератора Г подают на вход измеряемого объекта ИО, на выходе которого включен анализатор спектра АС или анализатор гармоник. С помощью анализатора спектра получают спектрограмму выходного сигнала, измеряют абсолютные или относительные значения амплитуд высших гармонических и первой гармоники и по формуле (1) вычисляют коэффициент гармоник. Если используют анализатор гармоник, то его настраивают вручную на каждую последующую гармонику, записывают их значения и вычисляют K_g по той же формуле. Аналитический способ трудоемок и применяется с целью выяснения роли каждой гармоники в отдельности.

Интегральный способ основан на формуле (2) и позволяет оценить влияние всех высших гармонических на форму сигнала без определения их значений в отдельности. Для этого сначала измеряют среднеквадратическое значение сигнала, а затем то значение высших гармонических, которое останется после подавления напряжения первой гармоники. Интегральный способ часто называют способом подавления напряжения первой гармоники (основной частоты).

Измерение коэффициента нелинейных искажений осуществляют также с помощью прибора – измерителя нелинейных искажений.

Обобщенная структурная схема генератора сигналов (рисунок 3) включает задающий генератор, усилитель мощности, выходное устройство и электронный вольтметр.

Задающий генератор – первичный источник гармонических колебаний. Схема задающего генератора должна обеспечить широкие пределы и высокую точность установки частоты, высокую стабильность параметров гармонических колебаний и малый коэффициент нелинейных искажений.

В задающих генераторах используются три метода генерирования:

а) прямой;

б) метод биений;

в) метод электронного моделирования.

Усилитель мощности является составной частью измерительных генераторов различного типа и служит для согласования относительно высокоомного выхода задающего генератора с низкоомным входным сопротивлением последующих аттенюаторов. Аттенюатор – это устройство, позволяющее вносить строго определенное затухание в сигнал. Предусмотренная в схеме усилителя регулировка коэффициента усиления позволяет по показаниям вольтметра установить на входе аттенюаторов требуемый уровень напряжения. Вводимая в схему усилителя отрицательная обратная связь способствует повышению стабильности характеристик усилителя и уменьшает степень нелинейных искажений усиливаемого напряжения. В ряде случаев усилитель мощности объединен со схемой задающего генератора.

Выходное устройство осуществляет контролируемое ослабление напряжения, поступающего от усилителя, а также обеспечивает согласование измерительного генератора с внешней нагрузкой. Выходное устройство состоит из ступенчатых аттенюаторов, проградуированных в децибелах, и трансформатора сопротивлений. Напряжение, поступающее на аттенюаторы, контролируют с помощью вольтметра. Отношение максимального уровня выходного напряжения к минимальному обычно составляет 10⁵ – 10⁶. Выходное напряжение генератора определяют путем расчета по показаниям вольтметра u_m и введенному ослаблению A (выраженному в дБ):

. (4)

Как правило, выходное устройство содержит два ступенчатых аттенюатора, включенных последовательно. Результирующее ослабление A (дБ) равно сумме ослаблений, вносимых каждым аттенюатором: .

Типовые измерительные генераторы звуковой частоты имеют два вида выхода: несимметричный и симметричный. Симметричный выход образуют путем соединения средней точки вторичной обмотки трансформатора с корпусом прибора. Использование симметричного выхода способствует понижению уровня помех на входных зажимах внешней нагрузки.

Генераторы сигналов инфранизких частот. Эти генераторы предназначены для исследования и настройки узлов автоматического регулирования, сервомеханизмов, аналоговых вычислительных машин и других устройств, работающих в диапазоне частот, нижняя граница которых находится в инфразвуковой области (например, 0,001 Гц). Верхняя граница частот достигает в отдельных генераторах десятков и сотен килогерц. Формы выходных сигналов – синусоидальная, прямоугольная, треугольная, пилообразная и др.

Генераторы измерительных сигналов звуковых и ультразвуковых частот. Диапазон частот таких генераторов составляет 20 Гц – 20 (40) кГц и 20 Гц – 200 кГц соответственно. Обобщенная структурная схема генераторов указанных выше частот представлена на рисунке 4. Задающий генератор ЗГ вырабатывает сигналы нужных частот синусоидальной формы. Эти сигналы поступают на усилитель У, выходное напряжение которого контролируется электронным вольтметром, градуированным в действующих значениях. Необходимый уровень напряжения сигнала на выходе генератора устанавливается с помощью резистивного аттенюатора Ат, обычно вносящего ослабление до 100 дБ.

На рисунке 5 представлена упрощенная принципиальная схема двухзвенного резистивного ступенчатого аттенюатора, выполненного на Т-образных звеньях, рассчитанного на согласованную нагрузку 600 Ом. Когда ключ K₁ замкнут, а K₂ разомкнут, работает только первое звено. При значениях сопротивлений резисторов R₁ и R₂. 0 – ¥; 1,3 кОм – 278 Ом; 4,1 кОм – 66,7 Ом; 13 кОм – 19,6 Ом; 41 кОм – 6,06 Ом и ¥ – 3,8 Ом – ослабление составляет последовательный ряд значений: 0; 10; 20; 30; 40 и 50 дБ. Второе звено подключается при размыкании ключа K₁ и замыкании K₂ и вносит ослабление 50 дБ. Полное ослабление аттенюатора 100 дБ (10⁵ раз); входное и выходное сопротивление 600 Ом; частотный диапазон 20 Гц – 200 кГц.

Выходное сопротивление генератора согласуется с сопротивлением его нагрузки R_н с помощью согласующего трансформатора СТ (рисунок 6). Трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода с малыми потерями и двух обмоток. Первичная обмотка присоединяется к выходу аттенюатора и потому рассчитывается на его выходное сопротивление R_Ат Вторичная обмотка секционирована. Число витков каждой секции w_2C; определяется соотношением сопротивления нагрузки, включенной в данную секцию, и сопротивлением аттенюатора: , где w₁ – число витков первичной обмотки; R_н – сопротивление нагрузки. Во вторичной обмотке предусмотрена средняя точка a, благодаря чему можно осуществить как симметричный, так и несимметричный выход генератора.

Генераторы измерительных сигналов звуковой и ультразвуковой частоты по схемному решению разделяются на RC- и LC-генераторы; генераторы на биениях (смешение частот) и прямого генерирования выходных частот; без стабилизации частоты и с диапазонно-кварцевой стабилизацией.

Генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты являются наиболее сложными среди генераторов звуковых и ультразвуковых частот. Они предназначены для генерации сигналов высокой стабильности, определяемой используемым в данном генераторе кварцевым резонатором. Для получения широкого диапазона стабильных частот применяются два способа: деление или умножение частоты кварцевого резонатора с последующим их смешением в соответствующих преобразователях, в результате чего получаются дискретные частоты; автоматическая подстройка выходной частоты генератора с плавной настройкой по частоте генератора с кварцевой стабилизацией, включая ее гармоники и субгармоники.