ПОВЕРКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ. 6. поверка измерительных генераторов
 Скачать 0.59 Mb.
|
6. ПОВЕРКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В лабораторной работе изучаются устройство генераторов сигналов и принципы их применения в радиоизмерительной практике. Исследуются ге- нераторы гармонических сигналов – низкочастотный (НЧ), высокочастотный (ВЧ) и генератор импульсов прямоугольной формы. Изучаются структурные схемы и назначение органов управления генераторов, методики контроля их параметров (поверки). В состав лабораторной установки входят исследуемые генераторы: Г3- 112 (НЧ), Г4-102 (ВЧ), Г5-54 (генератор импульсов), GFG-8219A (функцио- нальный генератор сигналов сложной формы). При поверке используют об- разцовые приборы: частотомер Agilent 53181A, цифровой осциллограф GOS- 820, цифровой мультиметр GDM-8246. Для согласования сопротивлений ге- нератора и измерительных приборов применяется выносная нагрузка со стандартным активным сопротивлением. 6.1. Принципы построения измерительных генераторов Измерительные генераторы – источники образцовых (тестовых) сиг- налов. Они отличаются возможностью установки формы и параметров вы- ходных сигналов с заданной точностью (нормируемыми метрологическими характеристиками). Процедура контроля параметров измерительных генераторов и, в ряде случаев, их корректировки называется поверкой. Результатом поверки явля- ется аттестация прибора на соответствие его паспортному классу точности. Погрешность измерительной аппаратуры, используемой при поверке, не должна превышать 0,1...0,3 от допустимой погрешности контролируемого параметра. Согласно ГОСТ 15069–86 измерительные генераторы делят по функ- циональному назначению на подгруппы: 1. Низкочастотные генераторы сигналов (подгруппа Г3) – источники гармо- нических (синусоидальных) колебаний низких частот (от десятков герц до сотен килогерц –…единиц мегагерц). 2. Высокочастотные генераторы сигналов (Г4) – приборы, вырабатывающие гармонические модулированные и немодулированные колебания высоких и сверхвысоких частот (от 0,1 МГц до десятков гигагерц); 2 3. Генераторы импульсов (Г5) – источники одиночных или периодических видеоимпульсов, обычно прямоугольной формы. 4. Генераторы сигналов специальной формы (Г6). Это функциональные гене- раторы низких и инфранизких частот, генераторы колоколообразных им- пульсов, сигналов случайной формы с нормируемыми статистическими параметрами (шумовые генераторы). 5. Генераторы сигналов произвольной формы с прямым цифровым синтезом сигнала (Direct Digital Synthesis – DDS). 6. Синтезаторы частоты на основе деления и умножения частоты опорного высокостабильного генератора. Аналоговые измерительные генераторы гармонических сигналов (НЧ, ВЧ и СВЧ) перекрывают диапазон частот от единиц герц до десятков гига- герц. В генераторах ВЧ предусматривают возможность амплитудной (АМ), а в ряде приборов – частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляций. Основным блоком измерительного генератора гармонических колеба- ний, определяющим частоту и форму выходного сигнала, является задающий генератор. Задающие генераторы (автогенераторы) гармонических колебаний со- держат активный четырехполюсник (усилитель) с коэффициентом передачи j K у и пассивный четырехполюсник положительной обратной связи (ПОС) с коэффициентом передачи j K ос (рис. 6.1). При их последовательном соединении коэффициент передачи разо- мкнутой системы равен ω ω ω ос у р j K j K j K В разомкнутой системе вх вых у U U j K , а вых ос ос U U j K , где ос вых вх и , U U U – комплексные амплитуды в различных точках схемы (рис. 6.1, а). При замыкании цепи обратной связи на вход активного четы- рехполюсника вх ос U U , тогда j K j K ос у / 1 . Таким образом, в уста- новившемся режиме на частоте генерации ω г в автогенераторе должно вы- полняться условие 1 ω ω ос у j K j K . (6.1) Так как ω exp ω ω у у у j K j K , а ω exp ω ω ос ос ос j K j K , то из (5.1) следует, что в стационарном режиме в автогенераторе одновременно 3 выполняются условия баланса амплитуд для модулей коэффициентов пере- дачи и баланса фаз для фаз коэффициентов передачи: 1 ω ω ос у j K j K , 2 г ос г у Для генераторов гармонических колебаний используют резонансные цепи обратной связи (резонансный контур). Амплитудно- и фазочастотные характеристики контура показаны на рис. 6.2. Баланс фаз выполняется на ре- зонансной частоте контура, когда частота генерации практически совпадает с частотой резонанса. Подбором коэффициента передачи усилителя компенси- руют потери сигнала в цепи обратной связи (баланс амплитуд). Если в усилителе возникает нестабильный фазовый сдвиг (например, из- за влияния на активный элемент температуры, ухода питающего напряжения), Рис. 6.1. Структура из двух четырехполюсников: а – в разомкнутом виде; б – с замкнутой цепью обратной связи ос U вх U K ос (j ω) ω ω ω ос у р j K j K j K K у (j ω) K ос (j ω) вых U ос U вх U вых U K у (j ω) а б А ЧХ f р f – π/2 π /2 Ф ЧХ f р f 4 Рис. 6.2. АЧХ и ФЧХ частотозадающего контура ПОС то он компенсируется фазовым сдвигом в цепи ОС. При линейной ФЧХ вблизи резонанса это означает смещение частоты генерации. Чем меньше наклон ФЧХ, тем больше это смещение. Поэтому для повышения стабильно- сти частоты требуются контура с крутой ФЧХ, а, следовательно, с высокой добротностью. В задающих генераторах ВЧ в цепи ПОС используют высокодобротные LC-контуры с переключаемыми катушками индуктивности и плавной пере- стройкой переменным конденсатором. Для получения высокой стабильности частоты применяют катушки индуктивности на керамических сердечниках, температурную стабилизацию контура, воздушные конденсаторы перемен- ной емкости с малыми потерями. Однако на низких частотах параметры L и C элементов становятся не- приемлемо большими (частота генерации примерно обратно пропорциональ- на индуктивности и емкости г р 1 LC ). Увеличивается активное со- противление потерь катушки, влияние температуры на ee индуктивность, растут габариты контура. Это не позволяет получить высокую добротность LC-контура и, следовательно, необходимую стабильность частоты генерато- ра. Поэтому на низких частотах в цепях ПОС используют фазосдвигающие RC-цепи различного вида. Переключение диапазонов осуществляют измене- нием сопротивлений резисторов, плавную перестройку – переменным кон- денсатором. Тем не менее, наклон ФЧХ такой цепи невелик и стабильность частоты RC-задающих генераторов обычно существенно хуже, чем у LC- генераторов ВЧ-диапазона. В настоящее время для генерации сигналов низ- кой частоты применяют цифровые генераторы с прямым синтезом формы сигнала. В образцовых генераторах (в эталонах и мерах частоты) в качестве ча- стотозадающего контура используют пьезоэлектрический резонатор в виде пластины кварца с металлизированными поверхностями. Благодаря обратно- му пьезоэффекту кварцевая пластина колеблется при приложении к ней пе- ременного напряжения. Если его частота приближается к частоте механиче- 5 ского резонанса пластины, амплитуда механических колебаний резко усили- вается. Резонатор ведет себя как колебательный LC-контур с большой доб- ротностью (до сотен тысяч и даже миллионов). Это позволяет получить вы- сокую стабильность частоты кварцевых генераторов. Однако такие генерато- ры не могут перестраиваться по частоте в широком диапазоне, что ограничи- вает область их применения источниками фиксированных (опорных) частот. Типовая структурная схема аналогового ВЧ-генератора гармонических сигналов представлена на рис. 6.3. Задающий генератор с LC-контуром определяет форму и частоту выходного сигнала. Усилитель предназначен для увеличения амплитуды сигнала до опорного уровня, по которому калибруют выходной аттенюатор. Усилитель обеспечивает заданное значение выходного сопротивления генератора и служит буферным блоком, исключающим влияние внешней нагрузки на за- дающий генератор. Генераторы ВЧ обычно имеют одно постоянное значение выходного сопротивления (50 или 75 Ом). G G dB ЧМ АМ Внеш. модуляция Внутр. модуляция V и(t) Модуля- тор Рис. 6.3. Обобщенная структурная схема генератора ВЧ В усилителе предусматривают плавную регулировку опорного уровня, который контролируют с помощью электронного вольтметра. В некоторых ге- нераторах используют автоматическую систему стабилизации опорного уров- ня, при этом вольтметр не используется. Выходное напряжение устанавлива- ют калиброванным аттенюатором (прецизионным пассивным делителем напряжения). Он позволяет уменьшить амплитуду выходного сигнала до не- обходимого (иногда довольно малого – доли микровольта) значения. 6 Для получения амплитудной модуляции в ВЧ-генераторах используют управление коэффициентом передачи усилителя модулирующим напряжени- ем. Его вырабатывают в блоке модулятора, который служит усилителем внешнего сигнала модуляции или сигнала от внутреннего НЧ-генератора си- нусоидальной формы (обычно 400 или 1000 Гц). Электронный вольтметр ис- пользуется для контроля параметров модуляции. В ряде генераторов преду- смотрен режим частотной модуляции. В этом случае сигнал модуляции по- дают на задающий генератор. В его контуре устанавливают варикап – диод с электрически управляемой емкостью p–n-перехода. Он позволяет управлять частотой генерации напряжением модулирующего сигнала. Генераторы НЧ строятся по такой же схеме, однако в них не требуется вводить модуляцию сигнала. В задающем генераторе используют RC-цепи (мост Вина или фазосдвигающие RC-цепочки). На выходе НЧ-генератора иногда предусматривают согласующий трансформатор для получения не- скольких стандартных значений выходного сопротивления (например, 5, 50, 600 Ом). С помощью трансформатора реализуют симметричный относитель- но общего провода выход, что позволяет исследовать устройства с диффе- ренциальным входом. Аттенюатор вместе с согласующим трансформатором образуют выходное устройство генератора НЧ. К основным эксплуатационным параметрам генераторов гармониче- ских сигналов относят диапазон перестройки по частоте и пределы регулиро- вания среднеквадратического значения выходного напряжения, а также диа- пазон установки параметров модуляции. К метрологическим параметрами относятся пределы допускаемой по- грешности: установки частоты, уровня сигнала и параметров модуляции. По- грешность установки частоты определяется неточностью градуировки, вре- менной нестабильностью задающего генератора, дискретностью шкалы и конструкцией отсчетного устройства. Погрешность установки выходного напряжения определяется точностью контроля опорного уровня и погрешно- стью градуировки аттенюатора. Паспортная точность гарантируется только при работе генератора на активную нагрузку, сопротивление которой равно заданному выходному сопротивлению генератора вых R . При работе с несо- гласованной нагрузкой ( вых н R R ) появляется систематическая относитель- ная погрешность установки выходного напряжения: вых н вых н R R R R U 7 Из формулы следует, что при подключении к генератору высокоомной нагрузки (вольтметра, осциллографа) выходное напряжение будет в два раза выше ожидаемого значения. Неидеальность формы синусоидального сигнала на выходе измери- тельного генератора проявляется в наличии высших гармонических состав- ляющих. Допустимый их уровень нормируется коэффициентом гармоник либо относительным уровнем побочных составляющих. Генераторы импульсов общего применения предназначены, как пра- вило, для получения видеоимпульсов прямоугольной формы. Они использу- ются при исследовании импульсных и цифровых устройств, измерении пере- ходных характеристик и пр. Структурная схема типового импульсного гене- ратора приведена на рис. 6.4. Частота повторения импульсов генератора определяется внутренним задающим генератором периодической последовательности импульсов. Чаще всего это релаксационных генератор (мультивибратор), вырабатывающий кратковременные импульсы, частота повторения которых калибрована и устанавливается с помощью дискретного и плавного регуляторов. Устрой- ство управления позволяет выбрать режим запуска генератора: периодиче- ский – от внутреннего генератора, внешний – от сигналов произвольной формы, подаваемой на вход прибора. Предусмотрен также разовый запуск при нажатии кнопки. В устройстве управления предусмотрен вывод синхроимпульсов, совпадающих по времени с импульсами задающего генератора. Их используют для синхронизации и запус- ка внешних устройств (осциллографа, частотомера и пр.). С устройства управ- ления импульсы запуска поступают на блок временной задержки. Он обеспе- чивает регулируемый калиброванный временной сдвиг Δtосновных импуль- сов относительно синхроимпульсов. Этот блок удобно использовать сов- местно с осциллографом, работающим в режиме внешней синхронизации. Регулировкой задержки можно перемещать импульс по экрану, обеспечивая удобный вид осциллограммы. Калиброванная задержка позволяет измерять временные интервалы методом замещения. Задержанные импульсы запуска подают на блок формирования основ- ных импульсов (одновибратор). Он вырабатывает прямоугольный импульс с заданной длительностью. В дальнейшем импульс усиливается и поступает на блок контроля и выходной аттенюатор (dB). Обычно в импульсных генерато- рах контролируют точность установки амплитуды импульсов, для чего ис- пользуют широкополосный импульсный вольтметр. 8 К эксплуатационным параметрам импульсного генератора относят диапазон регулирования частоты повторения, длительности и амплитуды импульсов, диапазон установки времени их задержки, к метрологическим – пределы допускаемой погрешности установки этих параметров и точность воспроизведения формы импульса. Осциллограмма реального выходного импульса измерительного гене- ратора представлена на рис. 6.5. dB Внутр. запуск u(t) Синхро- импульсы V G Устройство управления G t Внеш. запуск Рис. 6.4. Обобщенная структурная схема импульсного генератора δ , % 0,1 0 0,5 0,9 1 t ф τ и t ср Рис. 6.5. Осциллограмма реального импульса с выбросами Параметры импульса характеризуют степень близости его формы к иде- альной прямоугольной. Амплитуду импульса m U отсчитывают по усредненной вершине (без учета выброса ), длительность импульса t определяют по уровню 0,5 m U . Длительности фронта ф t и среза ср t показывают качество воспроизведе- 9 ния формы импульса. Эти параметры отсчитывают по уровням 0,1 m U и 0,9 m U Принято считать импульс прямоугольным, если ф t , ср t 0,3 t Функциональные генераторы – это генераторы нескольких форм сигналов (синус, меандр, треугольник и др.). Частота сигналов может ме- няться в широком диапазоне – от долей герц до единиц мегагерц. От рас- смотренных ранее генераторов они отличатся принципом действия. Для по- лучения напряжения разных форм используют аналоговые интеграторы на основе прецизионных операционных усилителей, охваченные ПОС. Диапа- зон частот ограничен частотными свойствами применяемых операционных усилителей. Особенностью таких приборов является возможность управле- ния частотой с помощью напряжения. Это позволяет использовать функцио- нальные генераторы в измерителях АЧХ и в генераторах с частотной моду- ляцией. На рис. 6.6 представлена упрощенная схема задающего блока функци- онального генератора с одним интегратором и релейным элементом в виде двухстороннего симметричного ограничителя (триггера Шмидта). u 1 +U 2 Управление ключом Ключ R C U 1 и 3 + _ и 4 и 2 Рис. 6.6. Структурная схема задающего блока функционального генератора Аналоговый интегратор – функциональный преобразователь на опера- ционном усилителе, охваченный частотнозависимой отрицательной обратной связью в виде RC-цепочки. При подаче на вход постоянного напряжения вы- ходное напряжение интегратора будет линейно возрастать или убывать в за- висимости от полярности входного напряжения. Если на входе сформировать последовательность знакопеременных импульсов u 1 одинаковой амплитуды U 1 = U 2 (напряжение типа меандр), то на выходе получим треугольный сиг- 10 нал u 2 (рис. 6.7). Его подают на релейный элемент – двухсторонний ограни- читель, имеющий гистерезисную передаточную характеристику. Он преобра- t t t t и 1 +U 2 1 и 2 и 3 и 4 U Рис. 6.7. Диаграммы напряжений функционального генератора зует треугольное напряжение в меандр u 3 . Этот сигнал управляет ключом, замыкая тем самым цепь ПОС генератора. Когда ключ подключает на вход интегратора положительное напряжение U 1 , напряжение на выходе интегра- тора нарастает. При достижении порога срабатывания релейного элемента переключается полярность входного сигнала. Напряжение на выходе инте- гратора становится линейно-падающим. Величина U 1 определяет длитель- ность периода треугольного сигнала u 2 , а, следовательно, и частоту выраба- тываемых сигналов. При неравных U 1 и U 2 времена нарастания и спада бу- дут различны. Это приводит к тому, что выходное напряжение релейного элемента имеет вид прямоугольных импульсов со скважностью, отличной от двух. Таким образом, напряжениями U 1 и U 2 можно управлять частотой вы- ходного сигнала и его скважностью. Прямоугольные u 3 и треугольные u 2 импульсы образуются на выходах релейного элемента и интегратора соответственно. Для получения синусои- 11 дального сигнала u 4 используют дополнительный нелинейный ограничитель треугольного напряжения, построенный на полевых транзисторах или на операционном усилителе с нелинейной отрицательной обратной связью. Остальные блоки функционального генератора не отличаются от используе- мых в RC- и LC-генераторах. Это буферный усилитель и модулятор АМ, вы- ходной аттенюатор, вольтметр для контроля опорного уровня сигнала. Часто в состав функциональных генераторов включают частотомер, с помощью кото- рого создают цифровую шкалу настройки прибора. При этом не требуется гра- дуировка ручек управления частотой и повышается точность ее установки. Современные функциональные генераторы строят на специализиро- ванных больших интегральных схемах, позволяющих получить достаточно высокие технические характеристики приборов и снизить их цену. Тем не менее, стабильность частоты и частотный диапазон этих приборов уступают традиционным генераторам ВЧ, коэффициент нелинейных искажений выше (до процента), чем у сигнала RC-генератора. 6.2. Описание лабораторной установки В состав лабораторной установки входят исследуемые генераторы – высокочастотный Г4-102 и низкочастотный Г3-112, импульсный генератор Г5-54. Функциональный генератор GFG-8219A используется как источник сигнала модуляции. Образцовые приборы, позволяющие провести поверку этих генераторов – электронно-счетный частотомер Agilent 53181A, цифро- вой мультиметр GDM-8246 и цифровой осциллограф GDS-820С. 6.2.1. Основные технические характеристики исследуемых генераторов Генератор сигналов высокочастотный Г4-102. Структурная схема прибора соответствует традиционной схеме LC-генератора. Диапазон рабо- чих частот прибора (0,1 50 МГц) разбит на восемь поддиапазонов. Относи- тельная погрешность установки частоты 1 %, нестабильность частоты (250 · 10 –6 f + 50) Гц. Коэффициент гармоник 5 %. Пределы регулировки среднеквадратического значения выходного напряжения на нагрузке 50 Ом от 0,5 мкВ до 0,5 В. Максимальное значение выходного напряжения (опорный уровень) равно 0,5 В (5 · 10 5 мкВ). По- грешность установки выходного напряжения не более 1 дБ. Предусмотрена возможность амплитудной модуляции от внутреннего генератора гармониче- ского сигнала с частотой 1000 Гц и внешней модуляции с частотой 50 12 5000 Гц. Коэффициент модуляции устанавливается в пределах 0–90 % ступе- нями по 10 %. Погрешность установки коэффициента АМ не хуже 10 %. В генераторе предусмотрен стрелочный вольтметр – для контроля опорного уровня на входе аттенюатора и установки уровня модулирующего напряжения (отметка К на шкале прибора). Предусмотрен некалиброванный выход генератора «1 V», который обычно используют для контроля частоты внешним электронным частотомером. Генератор сигналов низкочастотный Г3-112. Представляет собой источник гармонического немодулированного НЧ-сигнала. Генератор имеет следующие параметры: диапазон частот – 10 Гц 10 МГц (6 поддиапазонов); основная погрешность установки частоты (f, Гц) не хуже (2 + + 30/f), %, кратковременная нестабильность частоты после часового прогрева не превышает 4 10 –4 (за 15 мин); долговременная нестабильность (за 3 ч) – 50 10 –4 ; коэффициент гармоник 0,3 % (в поддиапазоне 1…10 МГц 4 %); опорный уровень плавно регулируется в пределах 0 5 В; дискретное изменение выходного сигнала производят аттенюато- ром в пределах 0 70 дБ; погрешность установки напряжения на согласованной нагрузке не хуже 1,5 % (что соответствует погрешности выходного аттенюатора порядка 0,13 дБ); номинальное значение выходного сопротивления 50 5 Ом. Генератор состоит из задающего генератора, усилителя и аттенюатора. В качестве задающего использован транзисторный RC-генератор с автомати- ческой стабилизацией амплитуды выходного сигнала. Усилитель позволяет увеличить сигнал до опорного уровня и обеспечивает стандартное выходное сопротивление 50 Ом при любом выходном напряжении. Контроль опорного уровня в данном генераторе не предусмотрен: для установки его значения используют предварительную калибровку нулевого положения аттенюатора. Генератор импульсов Г5-54. Прибор вырабатывает видеоимпульсы прямоугольной формы положительной или отрицательной полярности. Мак- симальная амплитуда основных импульсов m U на согласованной нагрузке 500 Ом не менее 50 В; амплитуда регулируется плавно и дискретно. Погреш- 13 ность установки амплитуды импульсов (0,1 m U ) В, выходное сопротивление генератора 500 Ом. Диапазон регулировки длительности импульсов 0,1 1000 мкс (восемь поддиапазонов). Погрешность установки длительности не превышает (0,1 t + + 0,03) мкс, нестабильность за один час не превышает (3 10 –3 t + 0,003) мкс. Диапазон установки частоты следования импульсов при внутреннем запуске – 10 Гц 100 кГц. Погрешность установки не хуже 10 %. Преду- смотрены также режимы внешнего и однократного запуска. Длительности фронта и среза основных импульсов на согласованной нагрузке 500 Ом не превышает соответственно 50 и 100 нс. Выброс вершины импульса не более 5 %, неравномерность вершины 5%. Генератор вырабатывает также синхроимпульсы положительной и от- рицательной полярности с плавно регулируемой амплитудой. Задержка ос- новных импульсов относительно синхроимпульсов t (временной сдвиг) ре- гулируется в пределах 0,1 1000 мкс и устанавливается с погрешностью не хуже (0,1 t +0,03) мкс. Функциональный генератор сигналов специальной формы GFG- 8219A. Прибор предназначен для выработки сигналов прямоугольной, тре- угольной и синусоидальной формы в диапазоне частот 0,3 Гц … 3 МГц (7 под- диапазонов). Относительная погрешность установки частоты порядка 10 –4 , она обеспечивается встроенным частотомером. Максимальная амплитуда выходного напряжения на согласованной нагрузке 50 Ом не менее 10 В; ам- плитуда регулируется плавно и дискретно (аттенюатор –20 и –40 дБ). Кон- троль амплитуды в генераторе не предусмотрен. Коэффициент нелинейных искажений синусоидального сигнала не ху- же 1 %, неравномерность частотной зависимости амплитуды сигнала не хуже 1 дБ. Время нарастания сигнала прямоугольной формы не хуже 100 нс, ли- нейность треугольного напряжения не хуже 95 %. Прибор имеет большое количество режимов работы: режим АМ с глубиной 0–100 %, частота внутренней модуляции 400 Гц, внешняя модуляция с частотой до 1 МГц; режим ЧМ с девиацией 0…±5 %, частота внутренней модуляции 400 Гц, внешней – до 20 кГц; 14 режим свипирования частоты (перестройка частоты в пределах 100:1, время свипирования 0,5…30 c; возможно управлять частотой генератора внешним напряжением 0…10 В; перестройка скважности выходного сигнала в пределах 2...12; регулировка постоянного смещения выходного сигнала в пределах –5…+5 В. Дополнительно прибор обеспечивает выдачу сигналов в формате ТТЛ и КМОП-логики, что полезно при настройке цифровых устройств. 6.3. Задание и указания к выполнению работы В процессе лабораторного занятия выполняется поверка измерительных генераторов – высокочастотного Г4-102 и импульсного Г5-54 генераторов. До- полнительно (по указанию преподавателя) исследуются параметры низкоча- стотного RC-генератора Г3-112. 6.3.1. Поверка высокочастотного генератора Г4-102 Схема подключения приборов для поверки генератора представлена на рис. 6.8. Подключите выход генератора 1 V (некалиброванный выход сигнала не- сущей частоты) к частотомеру. Основной калиброванный выход генератора (разъем V) через согласующую нагрузку 50 Ом и коаксиальный тройник подключите к вольтметру и осциллографу. К разъему АМ генератора Г4-102 подключите функциональный генератор GFG-8219A. Установите режим мо- дуляции ВНЕШ, глубину модуляции 0 %. Включите приборы. Установите режим модуляции ВНЕШ, глубину модуляции 0 %. Вклю- чите приборы. 6.3.1.1. Измерение погрешности установки частоты ВЧ генера- тора Г4-102 Частотомер установите в режим измерения частоты (кнопка Freq Ch1), входной фильтр 100 кГц должен быть отключен. Выход генератора 1 V дол- жен быть включен. Произведите поверку точности установки частоты генератора в трех высокочастотных диапазонах (6-й – 8-й диапазоны). Выберите точку слева, точку справа и точку посредине диапазона на оцифрованных отметках шка- лы. В каждой точке измерение частоты проведите дважды: при подходе к от- 15 метке слева и справа. Фиксируйте результат измерения с точностью не менее 5 значащих цифр. Рассчитайте относительное отклонение частоты (%) , 100 δ изм изм f f f f Генератор Г4-102 Функциональный генератор GFG-8219A ЭСЧ Agilent 53181A Цифровой осциллограф GDS-820C Мультиметр GDM8246 Кан.1 1V V АМ Channel 1 50 Ом Кан.2 Рис. 6.8. Структурная схема поверки ВЧ-генератора Г4-102 где f – отметка по шкале генератора, изм f – измеренное значение частоты. За погрешность установки частоты генератора принимают максимальное из двух вычисленных значений отклонения. Результаты поверки занесите в табл. 6.1. 6.3.1.2. Измерение погрешности установки выходного напряже- ния на калиброванном выходе генератора Г4-102 Измерение уровня выходного сигнала в лабораторной работе произво- дится цифровым мультиметром GDM-8246, подключенным через согласую- щую нагрузку 50 Ом к основному выходу генератора (разъем V). На генераторе установите частоту 0,1 МГц (1 поддиапазон), выход V – включен. Измерение уровня проводите в режиме непрерывной генерации 16 (переключатель АМ в положение ВНЕШ., переключатель ГЛУБИНА МОД, % в положение 0 %). Включите на мультиметре шкалу мВ и режим измерения переменного напряжения « AC mV» (кнопки Shift -> ACmV). Установите плавный регулятор напряжения генератора Г4-102 на от- метку 1,0 по черной шкале, дискретный множитель аттенюатора 10 5 (чер- ный). Это соответствует среднеквадратическому напряжению выходного сигнала 100 мВ на согласованной нагрузке 50 Ом. При переключении атте- нюатора на красную отметку выходное напряжение увеличивается или уменьшается на 10 дБ (в 3,16 раза). Это соответствует показаниям плавного регулятора выходного уровня по красной шкале. Измерьте выходное напряжение в точках, соответствующих дискретным положениям регулятора (черная и красная шкалы) в диапазоне (10 5 … 10 2 ). Рассчитайте погрешность установки напряжения генератора. Результаты из- мерений и расчетов сведите в табл. 6.1. 6.3.1.3. Измерение погрешности установки коэффициента ампли- тудной модуляции Установите на генераторе Г4-102 частоту 0,1 МГц, уровень напряжения 0,1 В (1,0 10 5 мкВ по черной шкале), коэффициент модуляции 90 %. Иссле- дование режима АМ проводите в режиме внешней модуляции. Подайте на вход АМ синусоидальный сигнал с генератора GFG -8219A (кнопка ). Установите частоту сигнала модуляции примерно 1000 Гц. Для этого используйте ручку FREQUENCY и кнопку частотного диапазона 1 К. Установите уровень сигнала (ручкой AMP) так, чтобы на контрольном инди- каторе генератора Г4-102 стрелка показывала на риску К. Точную регулиров- ку проводите ручкой ГЛУБИНА МОД, % генератора. Измерение коэффициента модуляции проведите с помощью цифрового осциллографа GDS-820C. Для этого подайте исследуемый сигнал с выхода V генератора Г4-102 на первый канал осциллографа (Кан 1), на второй ка- нал (Кан 2) через тройник подайте сигнал модуляции с генератора GFG - 8219A. Нажмите кнопку – АВТО УСТ. Осциллограф включит режим наблю- дения двух сигналов в автоколебательном режиме с синхронизацией по сиг- налу модуляции. Для получения изображения сигнала АМ используйте ре- жим наложения кадров: ДИСПЛЕЙ -> Накопление Вкл. При необходимости 17 используйте кнопку Обновление для запуска процесса наложения изображе- ний заново. Определение коэффициента модуляции выполните, измеряя на экране максимальный max и минимальный min размеры изображения АМ сигнала по вертикали. Для этого используйте курсоры осциллографа (КУРСОРЫ -> Вертик). Расстояние между курсорами обозначено , перемещение курсоров (вместе или по отдельности) осуществляйте ручкой УСТАНОВКА. Коэффициент модуляции в процентах рассчитайте по формуле 100 min max min max m Проведите измерения коэффициента модуляции для дискретных значе- ний m в диапазоне 10 – 90 % с шагом 20 %. При установке нового значения не забывайте обновлять экран осциллографа (нажимая клавишу ОБНОВЛ). Рассчитайте погрешность установки коэффициента модуляции. Результаты измерений и расчетов занесите в табл. 6.2. Зарисуйте или сфотографируйте форму АМ сигнала для m = 90 %. Исследуйте режим АМ с другими формами модулирующего сигнала генератора GFG -8219A (треугольник и меандр). Сфотографируйте осцилло- граммы АМ сигнала в этих случаях. Меняя частоту меандра в пределах 10…30 кГц и подстраивая коэффициент развертки для получения удобного масшитаба по горизонтали, наблюдайте искажения формы огибающей, воз- никающих из-за ограниченной полосы частот модулятора генератора Г4-102. Зарисуйте или сфотографируйте полученные осциллограммы для нескольких значений частот модуляции. 6.3.2. Измерение параметров прямоугольных импульсов генератора Г5-54 6.3.2.1. Визуальный контроль формы и оценка длительности и ам- плитуды выходных импульсов генератора Г5-54 Соберите схему поверки генератора импульсов согласно рис. 6.9. Под- ключите вход канала Кан 1 осциллографа и вход частотомера к выходу 1:1 генератора через согласующую нагрузку 500 Ом. (рис. 6.9). Соедините вы- ход СИНХРОИМПУЛЬСЫ генератора Г5-54 с входом ВНЕШ.СИНХР. ос- циллографа. Включите генератор Г5-54. Установите на генераторе режим внутрен- него запуска (кнопка ЗАПУСК нажата), частоту повторения – 1 кГц (1,0 по 18 белой шкале, белая кнопка ×10 3 ), временной сдвиг импульсов – 0 мкс, дли- тельность импульсов – 1 мкс, выходное напряжение – 2 В (20 · 0,1 В). Включите на осциллографе режим АВТ УСТ. Отключите второй канал (кнопку Кан 2 нажать два раза). Установите режим внешней синхронизации осциллографа (ЗАПУСК – МЕНЮ -> СИНХР -> Источник -> Внешняя). По- ставьте коэффициент развертки (ВРЕМЯ/ДЕЛ) 250 нс/дел. (250 ns). Генератор импульсов Г5-54 ЭСЧ Agilent 53181A Цифровой осциллограф GDS-820С Кан.1 Внеш. синхр 1:1 1:10 Синхро- импульсы Channel 1 500 Ом Рис. 6.9. Структурная схема поверки генератора импульсов Г5-54 Установите максимальной амплитуду синхроимпульсов генератора Г5-54 ручкой АМПЛ. Отрегулируйте запуск развертки осциллографа ручкой УРОВЕНЬ до получения устойчивого изображения импульса. Установите ко- эффициент отклонения первого канала 500 мВ/дел и отрегулируйте размер и положение изображения по вертикали и по горизонтали (СМЕЩЕНИЕ X и Y). Зарисуйте или сфотографируйте форму импульса. Измерьте парамет- ры импульса, используя режим ИЗМЕРЕНИЕ цифрового осциллографа. За- фиксируйте амплитуду импульса (Vp-p), время нарастания (ВР НАРАСТ) и время спада (ВР СПАДА), длительность импульса (+ДЛИТ). Режим измере- ния переключайте, нажимая кнопки F1 – F5 функционального меню осцил- лографа. Повторите измерение амплитуды при установленных значениях 3, 4, 5 и 6 В. В каждом случае подбирайте оптимальный коэффициент отклонения канала 1 осциллографа. Рассчитайте погрешности установки амплитуды им- пульса. Результаты занесите в табл. 6.3. 19 Установите исходную амплитуду 2 В и повторите измерения временных параметров импульса при установленной длительности импульса генератора 10 и 100 мкс. Для этих случаев подбирайте коэффициент развертки так, чтобы им- пульс был бы виден на экране целиком. Рассчитайте погрешности установки длительности импульса. Результаты занесите в табл. 6.4. 6.3.2.2. Измерение погрешности установки частоты следования импульсов генератора Г5-54 Подключите вход частотомера к выходу генератора импульсов. Уста- новите длительность импульса 1 мкс. Проведите измерение частоты следова- ния импульсов, устанавливая плавный регулятор частоты генератора на от- метках 1, 3 белой шкалы и 7, 10 черной шкалы на всех поддиапазонах гене- ратора. Рассчитайте относительную погрешность установки частоты, резуль- таты занесите в табл. 6.1. 6.3.3. Измерение параметров НЧ-генератора Г-112 (по указанию преподавателя) Сигнал с выхода НЧ-генератора через согласующую нагрузку 50 Ом и коаксиальный тройник подайте на вход частотомера и мультиметра (рис. 6.10). Переключатель вида сигнала генератора Г3-112 поставьте в по- ложение « », ослабление – 0 дБ. Ручку плавной регулировки выходного сиг- нала установите в крайнее правое положение, соответствующее максималь- ному значению уровня. 6.3.3.1. Измерение погрешности установки частоты генератора Г3-112 Установите на частотомере режим измерения частоты (Freq Ch1). Включите входной фильтр частотомера 100 кГц. Произведите поверку точ- ности установки частоты генератора в трех точках каждого поддиапазона, соответствующих отметкам шкалы 10, 50, 100. В каждой точке измерения проведите дважды: при подходе к отметке слева и справа. Достаточно фик- сировать результат с 5 значащими цифрами. Вычислите относительные от- клонения (в процентах) частоты èçì èçì δ 100 , f f f f где f – отметка по 20 Рис. 6.10. Структурная схема поверки НЧ генератора Г3-112 шкале генератора; изм f – измеренное значение частоты. За погрешность установки принимают максимальное из двух полученных значений. Резуль- таты поверки занесите в табл. 6.1. 6.3.3.2. Измерение погрешности установки ослабления выходного аттенюатора генератора Г3-112. Эти измерения производят с помощью цифрового вольтметра, подключа- емого к генератору через согласующую нагрузку 50 Ом. Переключите вольт- метр в режим ACV (измерение переменного тока, шкала В). Установите частоту генератора 1 кГц, ослабление 0 дБ. Плавной регу- лировкой выходного напряжения генератора добейтесь на вольтметре пока- заний 1 В (опорное напряжение оп U ). Последовательно переключая ослабле- ние аттенюатора в пределах 0 50 дБ, измеряйте значение выходного напря- жения вых U . При ослаблении до 20 дБ и более используйте милливольтовый режим вольтметра AC mV, включаемый последовательным нажатием кнопок Shift -> ACV. Измеренное ослабление рассчитайте в децибелах по формуле В 1 , lg 20 оп оп вых U U U A . Результаты измерений занесите в табл. 6.5. 6.4. Содержание отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать структурные схемы подключения приборов к исследуемым генераторам, таблицы с результатами измерений и расчетов, осциллограммы сигналов на выходах генераторов. 6.5. Рекомендуемые формы таблиц Таблица 6.1 Установленное Измеренное Относительная Паспортное значение RC-генератор Г3-112 Выход 50 Ом Мультиметр GDM 8246 ЭСЧ Agilent 53181A Channel 1 21 значение (по шкале генератора) значение погрешность установки, % предела погрешности, % Таблица 6.2 Установленное значение коэффициента модуляции, % max , min , дел. Измеренное значение коэффициента модуляции, % Относительная погрешность установки, % Таблица 6.3 Установленная амплитуда импульса, В Измеренная ампли- туда Vp-p, В Погрешность установки амплитуды, В Паспортное значение погрешности, В Таблица 6.4 Установленная длительность импульса, мкс Измеренная длительность, мкс Измеренное время нарастания, мкс Измеренное время спада, мкс Паспортная погрешность установки дли- тельности, мкс Таблица 6.5 Установленное ослабление, дБ Измеренное напряжение, В Измеренное ослабление, дБ Погрешность установки ослабления, дБ Паспортное значение погрешности, дБ 6.6. Контрольные вопросы 1. Что такое измерительный генератор сигналов? Чем он отличается от дру- гих типов источников сигналов? 2. Как делятся измерительные генераторы по функциональному назначе- нию? Какие типы генераторов гармонических сигналов используют в ра- диоизмерениях? 3. Почему на низких частотах автогенераторы с LC-контурами не обеспечи- вают высокой стабильности частоты? 22 4. Чем отличаются генераторы гармонических сигналов низких и высоких частот? 5. Что такое модуляция радиосигнала? Какие виды модуляции применяют в генераторах ВЧ? Почему в НЧ-генераторах модуляция не используется? 6. Как в генераторах ВЧ осуществляют точную установку выходного напряжения? 7. Что такое выходной аттенюатор измерительного генератора, для какой цели его применяют? 8. Для чего предназначены генераторы импульсов? Какую форму сигнала имеет реальный выходной сигнала? Как характеризуют качество его фор- мы? 9. Для чего в генераторах импульсов предусматривают дополнительный вы- ход синхроимпульсов? Чем они отличаются от основных импульсов гене- ратора? 10. Укажите особенности и принцип действия функционального генератора сигналов сложной формы. Какие возможности имеют эти генераторы? |