Измерительные генераторы

3.1 Классификация генераторов

Приборы, предназначенные для формирования измерительных сигналов, обозначаются буквой Г. Приборы Г1 используются для проверки генераторов, Г2 – генераторы шумовых сигналов, Г3 – низкочастотные синусоидальные (от20 Гц до 300 кГц), Г4 –синусоидальные высокочастотные, Г5 – импульсные, Г6- сигналы специальной формы, Г7 – генераторы с качающейся частотой.

Основные нормируемые характеристики6

- форма измерительного сигнала;

- параметры сигналов данной формы;

- пределы допускаемых погрешностей установки параметров сигнала;

- нестабильность параметров сигналов (указывается при определенных изменениях внешних условий, например, напряжения питания.

3.2.Низкочастотные генераторы синусоидального сигнала.

Обычно выполняются по структурной схеме, показанной на рисунке 3.1

Задающий генератор

Усилитель

Аттенюатор

Согласующий трансформатор

Вольтметр

Система автоматической регулировки усиления (АРУ)

Выход

Рис.3.1

Основным узлом этой схемы является задающий генератор, схемное и конструктивное решение которого определяет в основном метрологические характеристики всего генератора: диапазон частот, погрешность установки и нестабильность частоты, искажения формы синусоидального сигнала. В задающих генераторах используют RC-генераторы, либо генераторы на биениях или с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты. В простых генераторах наиболее распространены RC-генераторы. Обычно переход от одного диапазона к другому осуществляется переключением конденсаторов, а плавное изменение частоты в пределах диапазона – изменением сопротивления резистора. Задающие генераторы на биениях используют в генераторах с большим диапазоном перекрытия частотного диапазона. Структура такого генератора показана на рисунке 3.2

Генератор сигнала перестраиваемой частоты

  Смеситель

F1

Генератор сигнала фиксированной частоты

F2

Сигнал управления перестройкой частоты

Фильтр низкой частоты

F2-F1

К усилителю

Рис.3.2

Усилитель после задающего генератора обеспечивает усиление напряжения и мощности генерируемых сигналов, развязывает задающий генератор от влияния нагрузки. Такие усилители охватывают глубокой отрицательной обратной связью, обеспечивающей необходимую равномерность амплитудно-частотной характеристики, высокую стабильность коэффициента усиления, малый уровень нелинейных искажений.

Вольтметр позволяет контролировать исходный уровень напряжения. Аттенюатор позволяет ступенчато изменять ослабление сигнала на выходе.

Выходной трансформатор применяют только в генераторах с повышенными значениями выходной мощности.

3.3.Высокочастотные генераторы синусоидального сигнала

Типичная структурная схема генератора высокой частоты общего применения с амплитудной модуляцией представлена на рисунке 3.3

Система автоматической регулировки усиления

Задающий генератор

Усилитель ВЧ

Цифровой частотомер

  Модулятор

Усилитель ВЧ

  Аттенюатор

Вольтметр

Генератор НЧ Внутренняя модуляция

Сигнал внешней модуляции

Выход

Управление перстройкой частоты

Рис.3.3

Задающий генератор выполняется обычно на основе LC-контура. Плавную перестройку в пределах поддиапазона осуществляют конденсатором переменной ёмкости, переход от одного диапазона к другому – коммутацией катушек индуктивности

Более прогрессивным является не коммутация LC-контуров задающего генератора, а деление частот, как показано на рисунке 3.4

Задающий генератор

2 Делитель частоты на 2

1Делитель частоты на 2

Полосовой фильтр

Полосовой фильтр

N Делитель частоты на 2

Полосовой фильтр

  Переклю-чатель поддиа-пазонов

На модулятор

Рис.3.4

В этом случае сигнал задающего генератора, плавно перестраиваемого на частоте верхнего поддиапазона, поступает на цепочку делителей частоты на 2 и только потом через совокупность фильтров после переключателя на модулятор. Исключение из контура задающего генератора цепей коммутации увеличивает стабильность, позволяет практически безынерционно переходить от одного поддиапазона к другому, поскольку не требуется времени на прогрев элементов и не нужно подгонять шкалы всех поддиапазонов при изготовлении генератора. При этом существенно улучшаются шумовые характеристики генератора. К недостатку этого метода нужно отнести повышенные требования к фильтрации сигналов.

Как видно, амплитудная модуляция может осуществляться сигналом встроенного генератора НЧ, либо сигналом внешнего источника.

Система АРУ обеспечивает стабилизацию уровня выходного напряжения, а аттенюатор осуществляет глубокую регулировку уровня выходного сигнала.

3.4.Синтезаторы частоты.

К этому классу генераторов предъявляют высокие требования к точности установки частоты и долговременной нестабильностью (от за 15 минут и за сутки).

Укрупненная структурная схема такого генератора показана на рисунке 3.5.

Формирователь модулирующих сигналов

  Блок опрных частот

Внешний опорный сигнал

Блок опорного кварцевого генератора с системой термостатирования

  Блок синтеза частот

Интерполяцион-ный генератор

Управление переключением частот

Сигнал внешней модуляции

Выходное устройство

Сигнал амплитудной модуляции

Выход

Рис.3.5

Источником сигнала опорной частоты является блок кварцевого генератора, важным элементом которого является система термостатирования, поддерживающая неизменной необходимую температуру кварцевого резонатора с погрешностью порядка 0,1 градуса. Термостатирование является необходимым условием достижения высокой стабильности кварцевого генератора. Можно подключить (ключ в положение 2) внешний сигнал опорной частоты, например от стандарта частоты. Блок опорных частот формирует набор опорных фиксированных частот из сигнала кварцевого (или внешнего) генератора за счет применения делителей и умножителей частоты. Этот набор одновременно поступает на блок синтеза частот. Блок синтеза вырабатывает выходной сигнал, используя поступающий набор фиксированных частот, путём математических операций над этим набором. Интерполяционный генератор позволяет плавно перестраивать частоту выходного сигнала в пределах шага дискретности. В выходном устройстве осуществляется необходимое усиление сигнала по мощности, стабилизация опорного выходного уровня, регулируемое ослабление с помощью ступенчатого аттенюатора, а также амплитудная модуляция сигнала.

3.5.Генераторы импульсных сигналов

Типичная структурная схема простого генератора импульсных сигналов показана на рисунке 3.6.

Устрой-ство задержки импульса

Задающий генератор

  Блок синхро- низации

Установка частоты

Управление задержкой

Устройство формирования длительности импульса

Установка длительности

  Выходной формирователь

Выход

Установка амплитуды

Выход синхросигнала

Амплитудный вольтметр

ель

Внешний запуск

Разовый запуск

Рис.3.6

Задающий генератор выполняется либо по схеме синусоидального, либо импульсного генератора. Его частота и стабильность определяют частоту и стабильность выходного сигнала. Практически все импульсные генераторы могут работать в одном из трех режимов: автогенерации (от задающего генератора), внешнего запуска и разового запуска от кнопки на передней панели.

Для создания прецизионных генераторов импульсов по частоте, длительности и временной задержке используют кварцевый опорный генератор, метод синтеза частот и полностью цифровой принцип формирования выходного сигнала. В этом случае период, длительность и временная задержка выходного импульсного сигнала устанавливаются дискретно с шагом, равным периоду опорной частоты.

3.6.Генераторы сигналов специальной формы

Под генераторами специальной формы понимают источники одиночных или периодических сигналов, форма которых отлична от прямоугольной. Наиболее распространенными формами сигналов являются пилообразная, трапецевидная, колокольная.

Для создания достаточно простых генераторов сигналов специальной формы применяют схемы на основе интеграторов с нелинейной обратной связью через какой-либо пороговый элемент с гистерезисом (например, триггер Шмита).

Структурная схема такого генератора представлена на рисунке 3.7.

Интегратор

Пороговый элемент с гистерезисом

Выходной повторитель пилообразного сигнала

Выходной формирователь синусоидального сигнала

Выходной формирователь трапецевидного сигнала

Выходной формирователь импульсного сигнала

Рис 3.7

Интегрируя постоянное напряжение с выхода триггера, на выходе интегратора получается пилообразное напряжение. Когда это напряжение достигнет порога срабатывания триггера, триггер переключается, его выходное напряжение меняет знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не станет равным нижнему порогу срабатывания триггера. Далее этот процесс периодически повторяется и на выходе схемы формируются симметричное напряжение треугольной формы с одинаковым временем нарастания и спада. На основе треугольного напряжения можно сформировать напряжения трапецевидной, синусоидальной и других форм. Усложнив схему формирования, можно получить несимметричные сигналы.

Для формирования сигналов произвольной формы применяются генераторы, работающие на основе кусочно-линейного синтеза непосредственно самого сигнала. В основе таких устройств лежит генератор линейно изменяющегося напряжения, скоростью изменения и амплитудой которого можно управлять. Очевидно, что из серии таких элементарных линейно изменяющихся сигналов, каждый из которых начинается там, где кончается предыдущий, можно сформировать сигнал произвольного вида.

Сигналы произвольной формы с широкими пределами регулировки и высокой стабильностью параметров можно получить на цифровых запоминающих устройствах и цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП). Структура такого генератора показана на рисунке 3.8.

Опорный кварцевый генератр

Формирователь адреса

Запоминающее устройство

Цифро-аналоговый преобразователь

Выход

Блок управления

Сигналы управления

Рис.3.8

Тактовая частота задаётся опорным кварцевым генератором, обеспечивающим высокую стабильность частотно-временных параметров сигнала. Сформированные в формирователе адреса кодов сигналов подаются на запоминающее устройство, в которых записаны коды дискретных отсчетов заданного сигнала. В результате последовательного опроса ячеек запоминающего устройства на его выходе появляется последовательность цифровых сигналов, которая с помощью ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал заданной формы. Таким способом можно формировать сигнал любой формы, произвольно менять начальную фазу сигнала, запоминать значение сигнала на необходимый интервал времени

Со стороны нижних частот диапазон такого генератора практически ничем не ограничен. Максимальная частота формируемого сигнала определяется быстродействием запоминающего устройства и ЦАП. Характеристики точности такого генератора по выходному напряжению определяются объёмом памяти и разрядностью используемого запоминающего устройства и характеристиками ЦАП.

3.7.Генераторы шумовых сигналов.

Генераторы шумовых сигналов являются источниками электрических шумовых (случайных) сигналов, значение спектральной плотности мощности которых в требуемой полосе частот известны.

Структурные схемы генераторов шумовых сигналов во многом подобны рассмотренным схемам, но аналогом задающего генератора в генераторах шума служит источник физического, схемное решение которого определяет метрологические свойства всего прибора.

В качестве источников шума используются физически существующие шумовые сигналы - тепловые шумы резисторов, шумовой ток диодов, газоразрядные трубки и т.п.

Трудности, связанные со стабилизацией характеристик шумовых источников сигналов, прежде всего обеспечение стационарности, привело к тенденции создания шумовых генераторов цифровыми методами. Можно выделить два принципа построения таких генераторов. Первый основан на том, что программными методами создаётся датчик случайных чисел с заданным законном распределения, а второй основан на использовании генераторов псевдослучайных последовательностей (шумопобобных сигналов). Шумоподобные сигналы можно создать на регистрах сдвига с обратными связями. В отличии от случайных сигналов, конкретные реализации которых неизвестны, шумоподобный сигнал формируется регулярными методами, но его характеристики подобны шумовым – например, корреляционная функция.

Лекции 5,6,7

Дата добавления: 2014-01-04