Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
11.2.4.1. RС-генераторы Группа низкочастотных генераторов, находящихся в эксплуатации, состоит из приборов Г3-102, Г3-106, Г3-107, Г3-109, Г3-112/1 и др. Характерным для RС-генераторов является отсутствие режимов мо- дуляции, повышенные требования к форме генерируемого сигнала, деся- тикратное перекрытие по частоте по каждому поддиапазону. Запас по кра- ям диапазона устанавливается не менее удвоенного значения основной по- грешности по частоте, а в начале и конце поддиапазонов – не менее значения основной погрешности. Некоторые модели RС-генераторов вы- пускаются повышенной мощности (2,5–5 Вт) или с калиброванным уров- нем напряжения (мощности). Структурные схемы всех RС-генераторов аналогичны (рис. 11.1). Каждый RС-генератор состоит из четырех основных блоков: собственно генератора с самовозбуждением, называемого задающим генератором, усилителя мощности, выходного аттенюатора и блока питания. Таблица 11.1 Перечень наиболее распространённых генераторов Тип Диапазон частоты, Гц Максималь ный выходной сигнал Коэффициент гармоник Отличительная особенност ь Тип задающего генератора Примечани е Г3-101 10 3 – 1,99·10 6 1 В 5 Прецизионный по частоте ДКС Г3-102 20–200·10 3 8 Вт 0,02–0,2 Прецизионная форма сигн ала R С Г3-104 20–40·10 3 1,5 В 1–1,5 Непрерывное перекрытие диапазона На биениях Г3-105 10–2·10 6 1 В 2 Прецизионный по частоте ДКС Г3-106 20–200·10 3 5 В 0,2–1 Портативный для жёстких ус ловий эксплу атации R С Г3-107 20–200·10 3 10 В 0,05–0,2 Прецизионный по у ровню вых. сигнала R С Г3-108 0,01–10 5 2 В 1 Прецизионный по частоте ДКС Г3-109 20–200·10 3 4,5 Вт 0,5–2 Повышенн ой мощности ДКС Глава 11. Измерительные генераторы 367 Рис. 11.1. Обобщённая структурная схема RС-генераторов Рис. 11.2. Задающий генератор на основе моста Вина Задающий генератор представляет собой широкополосный усили- тель, охваченный положительной (γ-цепь) и отрицательной (β-цепь) обрат- ными связями (рис. 11.2). В цепь положительной обратной связи включен мост Вина. Требуе- мое значение частоты выходного сигнала достигается изменением пара- метров частотно-зависимой цепи (R1 = R2 = R; С1 = С2 = С): 1 2 f RC Переход от поддиапазона к поддиапазону осуществляется коммута- цией конденсаторов постоянной ёмкости или резисторов, плавная регули- ровка частоты в пределах поддиапазона производится сдвоенным пере- менным резистором или конденсатором переменной емкости, RС- генераторы имеют, как правило, одну общую шкалу на все поддиапазоны. Задающий RС-генератор не может отдавать мощность непосредст- венно в нагрузку, так как подключение ее вызывает уменьшение усиления и нарушение условия самовозбуждения. Поэтому после генератора обяза- тельно ставится усилитель мощности, первый каскад которого предназна- чается для согласования генератора и усилителя, а последующие каскады – для создания необходимой мощности на нагрузке в диапазоне генерируе- мых частот. С1 R1 R2 R3 Выход С2 Усилитель R4 Задающий RC-генератор Усилитель мощности PV Выход Аттенюатор Блок питания Раздел 2. Измерительная техника 368 Рис. 11.3. Варианты регулировки уровня выходного сигнала RС-генераторов Изменение уровня выходного сигнала RС-генератора производится плавной регулировкой напряжения на входе аттенюатора с помощью по- тенциометра R (рис. 11.3, а) и последующим ослаблением его в аттенюато- ре (обычно ступенчатом). У некоторых генераторов потенциометр R уста- навливается на входе усилителя мощности (рис. 11.3, б). Аттенюаторы, как правило, выполняются на резисторах. Чаще всего входное и выходное сопротивления аттенюатора одина- ковы (по 600 Ом). Общее затухание аттенюатора выбирается в пределах 60–120 дБ, а затухание одного звена – 10 или 20 дБ. Напряжение на входе аттенюатора обычно контролируется встроен- ным вольтметром V. Аттенюатор и шкала вольтметра откалиброваны для работы на номинальную нагрузку 600 Ом (реже 50 Ом), и все её отклоне- ния от номинальной дают дополнительные погрешности в отсчете. При нулевом ослаблении аттенюатора вольтметр оказывается подключенным непосредственно к нагрузке. Это позволяет отсчитывать напряжение на на- грузке даже в случае, если она отличается от номинальной. Точность от- счёта при этом практически сохраняется. При подключении нагрузки, зна- чительно превышающей 600 Ом, необходимо включить эталонную нагруз- ку 600 Ом, выключатель которой находится на панели управления генератором. Работа генератора с повышенным уровнем мощности (Г3-56, Г3-109) требует тщательного согласования генератора с нагрузкой. Для этого при- меняют мощные выходные каскады – согласующие трансформаторы Т1 и Т2 (рис. 11.4), каждый из которых работает на одном из участков диапа- зона частот (например, от 20 Гц до 20 кГц и от 20 до 200 кГц). Вторичные обмотки трансформаторов секционируют. Коммутация витков вторичных Задающий RC-генератор Усилитель мощности Аттенюатор PV Выход а Задающий RC-генератор Усилитель мощности Аттенюатор PV Выход б Глава 11. Измерительные генераторы 369 обмоток, соединенных с выходными клеммами генератора, обеспечивают ступенчатое изменение выходного сопротивления. Выходные сопротивле- ния выбираются с учетом назначения измерительных генераторов. Обычно они составляют 5, 50, 600 и 5 000 Ом. Рис. 11.4. Трансформаторные выходные каскады RС-генераторов 1 ст 2 3 S2 S1 T1 T2 S1 S1 S3 5000 600 50 5 5 50 600 5000 5000 600 50 5 5 50 600 5000 ст 2 3 ст 2 R н R н 1 3 1 ст 2 3 Двухфазный выход 1 R н R н Симметричный выход 1 ст 1 ст 2 3 R н 2 3 R н Несимметричный выход Раздел 2. Измерительная техника 370 Рис. 11.5. Структурные схемы низкочастотных генераторов 60 дБ Задающий RC-генератор Согласующий усилитель Аттенюатор 0–5 В, 600 Ом Г3-106 Формирователь прямоугольных импульсов Частотомер Усилитель мощности 0 дБ 20 дБ 40 дБ Рег. вых. PV S Задающий RC-генератор Согласующие трансформаторы Переключатель нагрузки Выход Предваритель- ный усилитель Выход 1 15 В, 50 Ом Усилитель мощности 5 В, 5 Ом 15 В, 50 Ом 50 В, 600 Ом 150 В, 5 кОм Рег. вых. Аттенюатор Г3-109 PV Задающий RC-генератор Формирователь прямоугольных импульсов Усилитель мощности Рег. вых. Аттенюатор Осн. выход 0–5 В, 50 Ом Усилитель Доп. выход 0–25 В, 1 кОм Г3-112/1 S S PV Глава 11. Измерительные генераторы 371 С помощью переключателей S1 включается в работу либо трансфор- матор Т1, либо трансформатор Т2 в зависимости от диапазона частот. Для изменения выходного сопротивления генератора используются спаренные переключатели S2 и S3. Подключением нагрузки к различным выходным клеммам обеспечи- вается получение как симметричного, так и несимметричного выходов ге- нератора, а также двух одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе выходных напряжений, что особенно удобно при работе с двухтакт- ными каскадами (рис. 11.4). Иногда на дополнительных выходах или в дополнительном режиме (например, в генераторах Г3-106, Г3-112/1) формируются сигналы прямо- угольной формы. Структурные схемы низкочастотных генераторов Г3-106, Г3-109, Г3- 112/1 приведены на рис. 11.5, здесь же указаны значения выходных напря- жений и выходных сопротивлений генераторов. 11.2.4.2. Генераторы на биениях Генераторы на биениях предназначаются для снятия амплитудно- частотных характеристик акустических и радиотехнических устройств и от- личаются непрерывным перекрытием всего диапазона частот. Генератор Г3-104 (рис. 11.6) состоит из двух LC-генераторов высокой частоты. Один из них (Г1) вырабатывает напряжение фиксированной частоты 400 кГц, а частоту генератора Г2 можно перестраивать в пределах 360–400 кГц. На- пряжение обоих генераторов усиливают усилителями ВЧ и подают на вхо- ды смесителя. Из выходного сигнала смесителя с помощью фильтра нижних частот Ф выделяется гармоническая составляющая, частота которой равна разности частот входных сигналов (f 1 – f 2 ). Сигнал разностной частоты 20 Гц–40 кГц проходит через усилитель низкой частоты НЧ на выходной трансформатор Тр. Трансформатор обеспечивает работу на одну из нагрузок 600 (основной канал), 50 и 5 Ом. Главным требованием к LC-генераторам, входящим в состав генера- тора на биениях, является малая нестабильность генерируемых частот, так как даже незначительное отклонение частоты каждого из них приводит к большой относительной нестабильности выходной частоты. Поэтому значения относительной нестабильности частоты LC-генераторов должны быть по возможности одинаковыми. Это достигается тем, что схемы LC- генераторов выбираются идентичными, а сами LC-генераторы размещают в одинаковых температурных полях. В этих условиях частоты генераторов под влиянием внешних факторов будут отклоняться в одну и ту же сторо- ну, а разностная выходная частота оставаться неизменной. Раздел 2. Измерительная техника 372 Рис. 11.6. Структурная схема генератора Г3-104 В контур генератора Г1 вводится переменный конденсатор неболь- шой ёмкости, с помощью которого можно перестраивать частоту в преде- лах ±100 Гц. Эта расстройка переносится на выходной сигнал разностной частоты. Поэтому частоту на выходе генератора определяют суммой пока- заний главной шкалы и шкалы расстройки. В цепи основного канала имеется аттенюатор на 100 дБ со ступенями ослабления 10 дБ. Плавная регулировка выходного сигнала обеспечивается потенциометром R на выходе фильтра нижних частот. Отсчет сигнала про- изводится по встроенному вольтметру V. Прибор имеет режим автоматической перестройки частоты с време- нем прохождения диапазона 1, 3 или 10 мин. Для этого в приборе преду- смотрен электродвигатель с коммутируемым редуктором и система автома- тики, обеспечивающая остановку в любой точке шкалы, возврат к мини- мальному значению частоты, однократное или многократное прохождение диапазона при любой из трех скоростей. 11.2.4.3. Генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией При настройке и испытании многих узкополосных устройств, систем связи, электрических фильтров, систем единого времени, частотомеров и других устройств не представляется возможным использовать обычные PV дБ Выход 400 кГц Автомат управления двигателем Настройка f 1 f 2 f 1 –f 2 Г2 Расстройка 400 кГц Ф Схема внешнего АРУ Вход АРУ НЧ Выход I 600 Ом Выход II 50 и 5 Ом Выход 360–400 кГц Тр R Г1 ВЧ ВЧ 360–400 кГц Глава 11. Измерительные генераторы 373 измерительные генераторы с плавной настройкой, так как они не обеспе- чивают высокой стабильности и точности установки частоты. Для этих це- лей применяют измерительные генераторы с диапазонно-кварцевой стаби- лизацией частоты, в основу построения которых положен метод прямого или косвенного синтеза частот. Оба метода позволяют преобразовать си- нусоидальное напряжение фиксированной частоты в напряжение, частота которого может быть установлена с необходимой дискретностью (напри- мер, дискретность установки частоты генератора Г3-101 составляет 1 кГц, а генератора Г3-110 – 0,01 Гц). Основная погрешность установки частоты f вых таких генераторов ле- жит в пределах (10 –6 ...10 –7 ) f вых , а стабильность частоты – (10 –6 ...10 –8 ) f вых Уровень выходного напряжения не превышает 1–2 В. Погрешность установки уровня выходного напряжения достигает 5 и более процентов. Коэффициент гармоник выходного сигнала не выходит за пределы 1–5 %. Некоторые генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией, кроме си- нусоидальных, формируют модулированные колебания. 11.3. Генераторы инфранизких частот Измерительные инфранизкочастотные генераторы обычно служат для создания напряжений синусоидальных сигналов с частотами 0,001...20 Гц, хотя верхняя граница частотного диапазона во многих приборах простира- ется до десятков килогерц и даже до 1 МГц. Инфранизкочастотные генераторы применяют для исследования, на- стройки и испытания сервомеханизмов, систем автоматического регулиро- вания, узлов аналоговых вычислительных устройств, различных измере- ний в указанном диапазоне частот. Общие требования к инфранизкоча- стотным генераторам в основном такие же, как и к генераторам сигналов низкой частоты. Структурная схема генератора гармонических сигналов инфранизкой частоты аналогична схемам, приведённым на рис. 11.5. Однако соответст- вующие узлы генераторов сигнала низких и инфранизких частот могут существенно отличаться друг от друга по своему устройству. Главное от- личие заключается в схеме задающего генератора. Часто задающий генератор представляет собой схему электронной модели колебательного процесса без затухания, описываемого дифферен- циальным уравнением 2 2 0 2 0 d x x dt , (11.2) где 0 = 2 f 0 – угловая частота собственных колебаний. Раздел 2. Измерительная техника 374 Выходной параметр x модели (напряжение на выходных зажимах) x = A sin( 0 t + ), являющийся решением уравнения (11.2), при соответ- ствующих параметрах модели и есть гармонический сигнал инфранизкой частоты f 0 Схемы электронных моделей выполняют из электронных линейных звеньев: усилительного, интегрирующего, суммирующего, инерционного, которые построены на основе усилителя постоянного тока с глубокой отри- цательной обратной связью. Схемы также имеют ограничители амплитуды. В рассматриваемой модели применяют два типа электронных линей- ных звеньев: усилительное и интегрирующее (рис. 11.7). Введение в схему усилительного звена вызвано необходимостью из- менения знака выходной величины х первого интегрирующего звена (на рис. 11.7 – правого) перед подачей её на вход второго звена. Усилительное звено имеет коэффициент усиления K = –1 и, следовательно, выполняет только инвертирующую функцию. Работу схемы описывает дифференциальное уравнение второго по- рядка: 2 1 2 2 1 1 2 2 0 x x d u u R C R C dt , (11.3) являющееся уравнением электронной модели, изображенной на рис. 11.7. Его решение u x = U m sin (2πf 0 t + φ) (11.4) определяет изменение напряжения на выходе схемы. Рис. 11.7. Функциональная схема генератора гармонических сигналов инфранизкой частоты R2 R5 2 2 u x u x R3 K = –1 u x R3 R4 R1 1 1 u x С2 С1 Глава 11. Измерительные генераторы 375 Сравнение уравнения (11.3) с исходным уравнением (11.2) с учетом того, что u x = m 1 x; u y = m 2 y (m 1 и m 2 – коэффициенты пропорционально- сти), позволяет определить зависимость частоты f 0 выходного напряжения u x от параметров схемы: 1 2 1 1 2 2 0 2 R C R C f (11.5) Из уравнения (11.5) видим, что частоту можно регулировать как изме- нением значений R и С, так и изменением значений 1 и 2 . Первая возмож- ность используется для деления всего диапазона частот на несколько поддиа- пазонов; вторая – для плавной перестройки частоты внутри поддиапазона. В случае выполнения условий 1 = 2 = ; R 1 = R 2 = R и C 1 = C 2 = С частота 0 2 f R C (11.6) Следовательно, при изменении значения частота изменяется по линейному закону. Часто при работе генератора бывает необходимо получить опреде- ленную начальную фазу выходного инфранизкочастотного напряжения. Это достигается установкой начальных значений напряжений U x0 и U y0 на выходах обоих интегрирующих звеньев. 11.4. Генераторы высоких частот 11.4.1. Назначение генераторов высокочастотных К высокочастотным генераторам относятся источники электрических синусоидальных немодулированных и модулированных сигналов частотой от 10 кГц до 79 ГГц и выше. Генераторы сигналов высокочастотные предназначены для настройки, регулировки и контроля высокочастотных радиотехнических устройств, пита- ния энергией измерительных линий, антенн, для измерения параметров элек- трических цепей с распределёнными постоянными нагрузками и других цепей. 11.4.2. Группы генераторов высокочастотных Номенклатура высокочастотных генераторов очень обширна. Это, как правило, источники электрических колебаний, имеющие режимы ам- плитудной, частотной, импульсной модуляции или одновременно несколь- ких видов модуляций. Раздел 2. Измерительная техника 376 Ширина частотного диапазона (от 10 кГц до 79 ГГц) обусловливает различие схемных и конструктивных решений, а также метрологических характеристик высокочастотных генераторов. По этому показателю их де- лят на три группы: а) генераторы радиовещательного диапазона (10 кГц–50 МГц); б) генераторы метрового и дециметрового диапазона (4–1200 МГц); в) генераторы СВЧ-диапазона (свыше 1 ГГц). В большинстве случаев высокочастотные генераторы содержат лишь аналоговые устройства (задающие генераторы, усилители, фильтры и др.). В последние годы выпускаются также цифровые генераторы, в своей струк- туре содержащие, наряду с аналоговой, элементы дискретной техники. 11.4.3. Параметры генераторов высокочастотных Для характеристики высокочастотных генераторов государственны- ми стандартами установлены следующие группы параметров: |