Лекция №4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ. ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСНЫХ И ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ

Генераторы сигналов высоких частот являются источниками незатухающих или модулированных по амплитуде синусоидальных измерительных сигналов, параметры которых известны с нормируемой погрешностью. Эти генераторы работают в диапазоне 100 (50) кГц – 30 (50) МГц и применяются в основном для настройки радиовещательных приемников, для измерений характеристик четырехполюсников, для питания различных радиоустройств. Современные высокочастотные генераторы измерительных сигналов относятся к единой конструктивной серии генераторов на диапазон частот от 100 кГц до 1 ГГц, предназначенной для замены существующего парка генераторов указанного диапазона. Они выполняются на транзисторах и микросхемах с использованием широкополосного усиления и автоматических регулировок.

Генераторы этого вида обычно разделяют на генераторы: 1) высоких частот (30 кГц – 50 МГц), 2) ультравысоких частот (50 – 300 МГц); 3) сверхвысоких частот (свыше 300 МГц).

Основным узлом генератора (рисунок 7, а) является задающий LC-гeнератор. Задающий LC-генератор определяет основные характеристики прибора, в том числе стабильность частоты и амплитуды, а также спектральную «чистоту» выходного сигнала. Генератор, как правило, строится на базе широкополосного усилителя, охваченного кольцом отрицательной обратной связи. Весь частотный диапазон генератора разбивается на ряд поддиапазонов, устанавливаемых подключением соответствующих катушек индуктивности. Изменение частоты в пределах поддиапазона осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости. Резонансная частота генератора изменяется обратно пропорционально , поэтому перекрытие в поддиапазонах не превышает 2 – 3, а число поддиапазонов достигает 8. Малое перекрытие позволяет повысить точность градуировки шкалы частот и уменьшить погрешность ее установки. Амплитудная модуляция осуществляется в модуляторе M, представляющем собой широкополосный усилитель с нелинейным коэффициентом передачи, изменяемым модулирующим сигналом (рисунок 7, б).

На выходе модулятора включен фильтр верхних частот. Входной сигнал u_вх является суммой сигнала высокой (несущей) частоты u_f, амплитуда которого мала, и сигнала низкой (модулирующей) частоты u_F с большой амплитудой. Напряжение модулирующего сигнала u_F перемешает рабочую точку усилителя по характеристике 1 на участки с разной крутизной, и на выходе модулятора образуется высокочастотный сигнал, амплитуда которого меняется по закону изменения модулирующего сигнала. Фильтр верхних частот не пропускает модулирующее напряжение, и на его выходе получается высокочастотный амплитудно-модулированный сигнал u_вых (рисунок 7, в).

При таком способе модуляции ее коэффициент не зависит от уровня сигнала высокой частоты, а определяется только уровнем низкочастотного модулирующего сигнала. Последний поступает либо от внутреннего генератора Г (рисунок 7, а), вырабатывающего напряжение с частотой 1 кГц, либо от внешнего источника с частотами от 50 Гц до 15 кГц. Максимальный уровень модулирующего сигнала, соответствующий модуляции 90 %, устанавливается при выведенном низкочастотном аттенюаторе Ат и контролируется вольтметром через детектор (выпрямительный преобразователь ВПр₁), когда переключатель П находится в положении 2. Изменение коэффициента модуляции и отсчет его значения выполняется с помощью того же аттенюатора дискретно, через 10 %.

После модулятора высокочастотный сигнал поступает на вход широкополосного усилителя У2, охваченного цепью автоматической регулировки уровня АРУ. В цепь АРУ входят выпрямительный преобразователь ВПр₂, дифференциальный усилитель постоянного тока ДУ и регулятор опорного напряжения РОН. На вход 1 ДУ поступает постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению выходного сигнала, а на вход 2 – опорное напряжение. Разность этих напряжений является управляющим сигналом, воздействующим на модулятор так, что его коэффициент передачи изменяется, и разность напряжений стремится к нулю.

Уровень сигнала на основном выходе можно изменять в пределах 0,5 мкВ – 0,5 В. Для этого предусмотрен ступенчатый резистивный аттенюатор на П-образных звеньях, рассчитанный на нагрузку 50 Ом. Для уменьшения помех выходному сигналу, возникающих вследствие наличия внутренних и внешних электромагнитных полей, каждый элемент аттенюатора заключен в экранирующую камеру, а весь аттенюатор – в массивный металлический кожух. Плавное изменение выходного сигнала в пределах 10 дБ осуществляется с помощью опорного напряжения, получаемого от устройства РОН.

Следует иметь в виду, что в точке a (рисунок 7, а) выходное сопротивление усилителя У₂ составляет доли Ома, так как выходное напряжение не зависит от изменения нагрузки и с помощью АРУ поддерживается постоянным. Для обеспечения конечного выходного сопротивления генератора, необходимого для согласования генератора с нагрузкой, между выходом У₂ и входом аттенюатора Aт включен балластный резистор R_б сопротивлением 50 Ом. Уровень выходного сигнала усилителя У₂ контролируется вольтметром через переключатель П в положении 1. В положении переключателя 3 можно контролировать напряжение блока питания БП. В генераторах высокой частоты предусматривается вспомогательный выход через широкополосный усилитель У₁. На выходе имеется сигнал 1 В, который используется для точного измерения частоты внешним частотомером и для других целей.

Относительная погрешность установки частоты 1 %; относительная нестабильность частоты 2,5·10^-4 за 15 мин; погрешность установки коэффициента модуляции 10 %; погрешность установки опорного уровня 1 дБ (генератор Г4-102).

Остальные типы генераторов ВЧ мы рассматривать не будем. Отметим лишь, что принцип работы генераторов ультравысоких и сверхвысоких частот сходен и основные узлы практически идентичны.

Генераторы импульсных сигналов являются источниками видеоимпульсов с известной формой, длительностью, частотой повторения и высотой. Основная форма импульсов прямоугольная. Прямоугольный импульс идеальной формы характеризуется длительностью t и высотой U. Реальная форма импульса отличается от идеальной, и для его характеристики существуют обязательные правила. Длительность импульса определяется на уровне 0,5 U. Высота импульса ограничивается точкой пересечения усредненной линии вершины импульса с его фронтом. Длительность фронта t_ф соответствует времени нарастания импульса от до ; длительность спада t_с – времени убывания сигнала от до . Импульс принимается прямоугольным в том случае, если t_ф и t_с меньше 0,3 t. Выбросы на вершинах импульсов и в паузе между ними оцениваются в процентах от высоты импульса.

Также различают генераторы импульсных сигналов специальной формы – пилообразной, трапецеидальной, колоколообразной.

Генераторы импульсных сигналов прямоугольной формы разделяются по назначению на три группы: генераторы общего применения; генераторы с точной установкой параметров сигнала; генераторы кодовых комбинаций и псевдослучайных последовательностей импульсов.

Генераторы первых двух групп выполняются одноканальными и многоканальными с числом каналов 2, 3 или 5. В одноканальных генераторах на одном или нескольких связанных выходах получают последовательность импульсов одинаковой длительности и частоты повторения; изменять можно высоту и полярность. В многоканальных – на нескольких не связанных между собой выходах получают синхронные последовательности импульсов с возможностью независимого изменения на каждом выходе длительности, высоты и полярности. Генераторы второй группы выпускаются с точной калибровкой одного из параметров: амплитуды, длительности, частоты повторения и временных сдвигов.

Совокупность генераторов импульсных сигналов обеспечивает получение импульсов длительностью от долей наносекунды до единиц секунд, частоту повторения – от долей герца до сотен мегагерц, высоту – от единиц милливольт до десятков вольт.

Генераторы общего применения используются для запуска радиотехнических устройств, для модуляции сигналов ультравысокочастотных и сверхвысокочастотных генераторов, для исследования импульсных характеристик полупроводниковых и электронных приборов.

Генераторы с точной установкой параметров импульсов применяются для проверки переходных характеристик широкополосных усилителей и осциллографов; поверки генераторов общего применения и измерителей временных интервалов.

Генераторы кодовых комбинаций и пакетов импульсов, а также их псевдослучайной последовательности используются для испытания логических схем и устройств, аппаратуры каналов связи с импульсно-кодовой модуляцией, интегральных схем, устройств вычислительной техники. Эти генераторы выпускаются с устройствами программированного и дистанционного управления параметрами сигналов и пригодна для использования в автоматических системах различного назначения.

Специальные генераторы пилообразных импульсов применяются для модуляции сигналов генераторов шума, генераторов качающейся частоты (свип-генераторов), для измерения амплитудно-частотных характеристик.

Основными характеристиками импульсных генераторов являются: частота повторения F, длительность импульса t, длительность фронта t_ф, длительность спада t_с, максимальное значение амплитуды, минимальная скважность и погрешность установки параметров импульса.

Несмотря на многообразные требования к генераторам прямоугольных импульсов, большинство их строится по одинаковой структурной схеме (рисунок 8), в которой осуществляется последовательное поблочное формирование параметров импульсов.

Задающий генератор ЗГ вырабатывает синусоидальное или импульсное напряжение. В первом случае он выполняется по схеме RC- или LC-генератора, во втором – по одной из схем релаксационных генераторов. Частота генерации определяет частоту повторения последовательности импульсов. Предусмотрена синхронизация задающего генератора от внешнего источника через блок синхронизации БС. В этом же блоке напряжение задающего генератора преобразуется в последовательность коротких импульсов, с помощью которых запускается блок формирования импульсов БФ₁. Эти же импульсы можно использовать в качестве синхроимпульсов для внешних устройств – осциллографов и др.

С помощью блока задержки БЗ можно сдвигать начальное положение импульсов на выходе генератора. Во втором блоке формирования БФ₂ устанавливается нужная длительность импульса т, а в выходном усилителе ВУ – необходимое значение амплитуды и полярность. С помощью резистивного аттенюатора Aт на втором выходе устанавливаются импульсы с высотой, в 10ⁿ раз (n = 1, 2, 3 и 4) меньшей, чем на первом выходе. Контроль высоты импульсов осуществляется пиковым вольтметром; иногда высота импульса сравнивается с опорным напряжением.

Форма выходных импульсов сохраняется при работе генератора на определенную нагрузку, которая у разных генераторов составляет 50, 75, 500 и 1000 Ом.

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 ¥ («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); сверхвысокочастотные (500 МГц – 12 ГГц).

Обобщенная структурная схема генератора шума (рисунок 9) состоит из источника шума ИШ, широкополосного усилителя У и аттенюатора Aт. Измеритель выхода ИВ позволяет контролировать уровень выходного сигнала в единицах напряжения (на низких частотах) или в единицах спектральной плотности мощности шума. К источнику шума предъявляются следующие требования: равномерность спектральной плотности мощности в заданной полосе частот; 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, вакуумные и полупроводниковые диоды, фотоэлектронные умножители и газоразрядные лампы.