Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
Нагретый проволочный резистор. В качестве эталонного источни- ка шума может служить нагретый проволочный резистор, среднее квадра- тическое значение напряжения на котором рассчитывается по формуле U 2 = 4·k·T·R·Δf, (11.9) где k = 1,38 · 10 –23 Дж/град – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура резистора в градусах Кельвина; R – сопротивление резистора; ∆f –полоса пропускания. U(Δf) Задающий генератор Выходной аттенюатор Преобразователь Вольтметр среднеквадратического значения Глава 11. Измерительные генераторы 403 Если нагрузить шумящий резистор другим, равным ему по сопро- тивлению, то на втором резисторе выделится мощность P ш = 2 ш U / 4·R = k·T·Δf эт (11.10) Отсюда можно определить спектральную плотность мощности шума: S (f) = P ш /Δf эт = k·T. (11.11) Спектральная плотность мощности шума резистора при нормальной температуре S(f) = k·T 0 = 4 10 –21 Вт/Гц. Произведение k·T 0 удобно использо- вать в качестве единицы спектральной плотности мощности. Например, 5kT 0 означает, что температура шумящего резистора в пять раз выше нор- мальной и спектральная плотность равна 2 · 10 –20 Вт/Гц. Из выражения (11.9) можно найти сопротивление резистора: R = 2 ш U / (4·k·T·Δf эт ), (11.12) отсюда следует, что активные элементы, в которых возникают шумы, можно замещать эквивалентным шумящим резистором, шумовое сопро- тивление R ш которого при нормальной температуре Т 0 R = 2 ш U / (4·k·T 0· Δf эт ). (11.13) Конструктивно резистор выполняется в виде вольфрамовой спирали, намотанной на керамический каркас, температура которой поддерживается постоянной. Вакуумный диод, работающий в режиме насыщения, является ис- точником шума вследствие случайного характера процесса термоэлек- тронной эмиссии. Среднеквадратическое значение шумового тока диода определяется известным выражением ш 2 s i e I f , где е – заряд электрона (е = 1,6 · 10 –19 Кл); I s – ток насыщения, А; ∆f – полоса пропускания устройства, на вход которого поступает ток насыщения диода, Гц. Вакуумные диоды, например типа 2Д2С, генерируют шум в диапазо- не частот 1–600 МГц. Напряжение и уровень спектральной плотности мощности на выходе генератора регулируется изменением тока накала диода. Болометрический генератор шума. К источникам тепловой шумо- вой мощности относится и болометрический генератор. Болометр пред- Раздел 2. Измерительная техника 404 ставляет собой вакуумный стеклянный баллон, внутри которого натянута вольфрамовая нить. Источники теплового шума используются в качестве эталонных генераторов шумовых напряжений, так как расчётные данные хорошо совпадают с практическими результатами. В шумовых генераторах также применяются фотоэлектронные ум- ножители, газоразрядные трубки, шумовые диоды и т. п. Газоразрядные генераторы шума. Широкое применение в качестве первичного источника шума в сантиметровом диапазоне волн нашли газо- разрядные шумовые трубки (ГШТ) с положительным столбом. Газораз- рядные шумовые трубки имеют высокую равномерность спектральной плотности мощности шума в широкой полосе частот, стабильный и отно- сительно высокий уровень мощности, просты в эксплуатации, устойчивы к жёстким воздействиям внешней среды и обладают достаточно высокой эксплуатационной надежностью. Газоразрядный шумовой гене- ратор (рис. 11.21) выполнен в виде стеклянной трубки, наполненной инертным газом (аргоном или не- оном) до давления от сотен до тысяч паскалей. На одном конце трубки расположен прямонакальный или по- догреваемый катод, на противопо- ложном – анод. Свойство газоразряд- ных трубок генерировать шумы обу- словлено колебаниями электронов в плазме. Для практического использования шумового излучения положитель- ного столба ГШТ помещают в специальные генераторные секции. В зави- симости от диапазона частот и типа трубки могут быть использованы ге- нераторные секции, выполненные на волноводе, коаксиальной или полос- ковой линии. Волноводные шумовые генераторы (рис. 11.22) представляют собой отрезок волновода, в центре широкой стенки которого под малым углом (7...15°) помещается ГШТ. Наклонное положение трубки в волноводе обеспечивает при разряде равномерное внесение потерь на достаточной длине линии, благодаря чему достигается удовлетворительное согласова- ние ГШТ с линией передачи в широком диапазоне частот. Разработка генераторов шума в коротковолновой части миллиметро- вых волн сопряжена с большими трудностями из-за малого диаметра и толщины стенок ГШТ. В связи с этим шумовые генераторы миллиметро- вого диапазона выполняют пакетированными, без возможности в процессе эксплуатации производить смену ГШТ. Рис. 11.21. Газоразрядный шумовой генератор +E а P ш 2 1Н U н 33 Глава 11. Измерительные генераторы 405 Рис. 11.22. Волноводный шумовой генератор В длинноволновой части сантиметровых волн из-за сложности со- гласования трубки с линией передачи обычно применяют коаксиальные или полосковые генераторы шума. В коаксиальных генераторах шума ГШТ помещают внутри ленточ- ной спирали, которая является внутренним проводником коаксиальной ли- нии. Внешним проводником служит цилиндрическая поверхность корпуса линии. Форма спирали (зазор между соседними витками, диаметр спирали) определяется с учетом требуемого волнового сопротивления, связи трубки с линией передачи, диапазона частот. Полосковые генераторы шума представляют собой симметричную полосковую линию, вдоль оси которой помещается газоразрядная шумовая трубка. Интенсивность излучения ГШТ определяется главным образом элек- тронной температурой плазмы. Потери, вносимые генератором шума в тракт, в выключенном состоянии в основном определяются потерями в стенке трубки, линии передачи и в присоединительных элементах. На практике часто требуется использовать генераторы шума в им- пульсном режиме. Длительность импульса горения ГШТ ограничена снизу длительностью переходного процесса в газовом разряде. В зависимости от допустимых искажений минимальная длительность модулирующего им- пульса может составлять 0,2...1 мс. Генераторы шума на полупроводниковых приборах. Генераторы на лавинно-пролетных диодах. Из генераторов шума на полупроводнико- вых приборах наибольшее применение в практике измерений находят ге- нераторы на лавинно-пролётном диоде (ЛПД). Конструктивно они состоят из ЛПД и генераторной секции, служащей для согласования входного со- противления p-n-перехода с сопротивлением нагрузки. Основным источ- ником шумового излучения в ЛПД являются дробовые флюктуации тока насыщения диода. Лавинно-пролётные диоды имеют резкую зависимость полного со- противления p-n-перехода в рабочем режиме от частоты и тока диода. Это φ P ш +E a 4 5 +U н Раздел 2. Измерительная техника 406 затрудняет согласование диода с высокочастотным трактом в широкой по- лосе частот. При создании генераторов шума на ЛПД эти особенности учитыва- ются соответствующим выбором тока диода, коэффициента передачи, на- пряжения пробоя и прочее. Генераторы шума на ЛПД перекрывают дециметровый и сантимет- ровый диапазоны волн. Они могут работать как в режиме непрерывных колебаний, так и в режиме импульсной модуляции при длительности им- пульсов от нескольких долей микросекунд и более. Отечественные низкочастотные генераторы шумов обозначаются символом Г2, работают в диапазоне от 20 Гц до 10 МГц и вырабатывают мощность до 5 Вт. СВЧ-генераторы имеют высшую частоту рабочего диа- пазона до 37 ГГц и как и генераторы гармонических колебаний выполня- ются однодиапазонными с малым перекрытием по частоте. Обозначаются шумовые СВЧ-генераторы так же, как и низкочастотные, символом Г2. В качестве преобразователей спектра в шумовых генераторах приме- няются усилители, фильтры, ограничители, генераторы перестраиваемой частоты – в зависимости от того, какое преобразование шума требуется. Так, применив в качестве преобразователя фильтр с определённым коэф- фициентом передачи, можно получить из генератора «белого» шума гене- ратор стационарного случайного процесса со спектральной плотностью мощности, изменяющейся по заданному закону в определенном диапазоне частот. Основным элементом выходного устройства генератора служит ка- либрованный аттенюатор, обеспечивающий одинаковый коэффициент де- ления мощности по всей полосе частот шума. Для контроля уровня выход- ной мощности в схему генератора встраивается вольтметр среднего квад- ратического значения. 11.6. Синтезаторы частоты 11.6.1. Классификация синтезаторов частот сигналов Аппаратура синтеза частот формирует стабильные по частоте радио- сигналы в диапазоне от долей герца до десятков гигагерц, параметры кото- рых могут изменяться оператором с помощью органов управления на па- нелях приборов или дистанционно по программе. Современные синтезаторы частот представляют собой многофунк- циональные широкодиапазонные приборы с программируемым изменением амплитуды и частоты. Они широко используются для автоматизации кон- трольно-измерительных операций, имитации различных видов радиосигна- лов и измерения радиотехнических и физических величин. Необходимость Глава 11. Измерительные генераторы 407 упрощать управление и программирование таких комплектов приборов ста- вит задачу создания более совершенных синтезаторов частот. Аппаратура синтеза частот преобразует сигналы опорного стандарта частоты в сигналы с дискретно-изменяющейся частотой без существенной потери стабильности частоты и ухудшения спектра. В зависимости от це- левого назначения приборов и методов их аттестации выходной сигнал ап- паратуры синтеза частот характеризуется большим числом параметров. Наиболее важными из них являются: диапазон выходных частот, дискрет- ность установки частоты, нестабильность частоты и спектральная чистота выходного сигнала, напряжение или мощность выходного сигнала, дли- тельность переходных процессов при изменении частоты или уровня вы- ходного сигнала. По своему функциональному назначению аппаратура синтеза частот подразделяется на приборы, непосредственно осуществляющие процесс синтеза частот: синтезаторы частоты, умножители и делители частоты, синхронизаторы частоты, и вспомогательную аппаратуру, расширяющую функции синтезаторов частот. 11.6.2. Способ синтеза частот Синтез частот основан на получении гармоник и субгармоник часто- ты высокостабильного опорного сигнала и их последующем преобразова- нии в множество сигналов с дискретными значениями частот путём их сложения, вычитания, умножения и деления, выполняемых радиоэлек- тронными узлами. Измерительный синтезатор частот состоит из трех основных блоков (рис. 11.23). Рис. 11.23. Cтруктурная cхема синтезатора частоты Опорный кварцевый генератор обеспечивает высокостабильный по частоте сигнал мощностью 1 или 5 МГц. От спектра этого сигнала в значи- тельной степени зависят частотные параметры выходного сигнала синтеза- тора частот. Блок опорных частот формирует из сигнала опорного генератора ряд сигналов с фиксированными частотами, необходимых для работы системы синтеза частот. Ухудшения стабильности частоты и спектральной чистоты сигнала опорного генератора, вносимые блоком опорных частот, незначи- f вых Генератор опорный кварцевый Система синтеза частот f оп Блок опорных частот Раздел 2. Измерительная техника 408 тельны и определяются нестабильностью частоты и фазы, вносимой дели- телями и умножителями частоты. Система синтеза частот выполняет основную функцию: создаёт на выходе сигнал с программируемым в заданном диапазоне значением час- тоты и определяет все основные частотные параметры выходного сигнала. Основным элементом системы синтеза частот является частотная декада, которая обеспечивает установку значения частоты выходного сигнала в одном или нескольких десятичных разрядах. Она состоит из узлов, вы- полняющих соответствующие арифметические действия над частотами сигналов блока опорных частот, и фильтров с фиксированной или пере- менной частотой настройки. С помощью фильтров подавляются нежела- тельные составляющие, возникающие в спектре сигнала в процессе преоб- разования частоты. 11.6.3. Структурное построение синтезаторов частоты В зависимости от конкретных технических требований, предъявляе- мых к выходному сигналу синтезаторов частот, они выполняются по раз- личным структурным схемам. В основном это различие касается частот- ных декад системы синтеза частот, так как в блоках опорных частот ис- пользуется только умножение и деление частот и по своей структуре они различаются незначительно. Существуют два метода построения частотных декад, а следователь- но, и измерительных синтезаторов частот. При методе прямого синтеза частот выходные сигналы форми- руются в результате непосредственного преобразования опорных частот смесителями, умножителями и делителями (рис. 11.24). Частотные декады содержат обычно один или два смесителя в соче- тании с делителем частоты в 10 раз и включаются последовательно. Их ко- личество определяется только заданным значением дискретности установ- ки частоты выходного сигнала. Действительно, при коэффициенте деления частоты в декаде п = 10 количество выходных частот для N последователь- но соединенных декад составляет K вых = n N = 10 N . Дискретность установки частоты Δf синтезатора, перекрывающего диапазон П вых , Δf вых = П вых / K вых = П вых / 10 N , (11.14) убывает при увеличении числа декад N и может быть сделана сколь угодно малой. Коммутация входных сигналов декад осуществляется N-канальным электронным переключателем, который управляется кнопками с передней панели или дистанционно. Такое построение системы синтеза частот обу- словливает ее высокое быстродействие. Ограничения на время переключе- Глава 11. Измерительные генераторы 409 ния с одной частоты на другую накладывают только постоянные времени фильтрующих элементов в цепях управления переключателя и переходные процессы в фильтрах декад. Для одной частотной декады время переклю- чения t f = t пер + t ф , (11.15) где t пер – задержка сигнала в цепях управления переключателя; t ф – длительность переходных процессов в фильтрах. Рис. 11.24. Cтруктурная cхема прямого синтеза частот Обе составляющие времени переключения убывают при увеличении рабочей частоты декады и при использовании частот порядка нескольких мегагерц составляют единицы микросекунд. Хотя максимальное время пе- реключения синтезатора частот увеличивается прямо пропорционально количеству частот декад max f t = N · t f , для систем прямого синтеза оно оста- ётся достаточно малым. Как правило, частотные декады являются узкодиапазонными устрой- ствами, поэтому совместное включение нескольких декад позволяет фор- мировать большое количество выходных частот в пределах ограниченного диапазона. Для его расширения в системах прямого синтеза применяется умножение частот. Однако при слишком больших коэффициентах умно- жения спектральные характеристики системы синтеза и обычных автоге- нераторов на высокодобротных резонаторах практически не отличаются друг от друга. Это ограничивает диапазон синтезаторов частот, построен- ных по методу прямого синтеза, частотами не выше 500 МГц. f вых n = 10 n = 10 Электронный переключатель Блок опорных частот f f/f n f f/f n Генератор опорный Раздел 2. Измерительная техника 410 При методе косвенного синтеза частот основу частотных декад составляет система ФАПЧ, являющаяся активным фильтром (рис. 11.25). Основным фильтрующим элементом в системе ФАПЧ служит фильтр нижних частот, включённый на выходе фазового детектора в цепи управ- ляющего напряжения. Рис. 11.25. Cтруктурная cхема косвенного синтеза частот Для удовлетворительной фильтрации помех и гармоник частоты опорного сигнала полоса фильтра нижних частот выбирается достаточно узкой, что приводит к сокращению полосы пропускания системы. В ре- зультате время переключения с одной частоты на другую, связанное с по- лосой пропускания системы ФАПЧ П ф выражением t f = (2 – 3) / П ф , полу- чается достаточно большим. Другим следствием узкой полосы пропускания систем косвенного синтеза является ограниченное число выходных частот, которое зависит от нестабильности частоты синхронизируемого генератора и требуемой вели- чины ослабления сигналов с частотой сравнения фазового детектора. В не- которой степени эти ограничения снимают, включая в цепь обратной связи кольца ФАПЧ делителя частоты с переменным коэффициентом деления, однако подобные частотные декады обладают более высоким уровнем фа- зовых шумов. В области СВЧ применяют более сложные схемы фазовой синхрони- зации. Наиболее широко распространены схемы с последовательным пре- образованием частоты синхронизируемого генератора и умножением час- тоты высокочастотного синтезатора системой импульсно-фазовой авто- подстройки частоты. Преимуществами прямого синтеза частот перед косвенным являются более широкий диапазон выходных частот, быстродействие в режиме пе- реключения частот, малая кратковременная нестабильность частоты и спектральная чистота выходного сигнала. Косвенный синтез обеспечива- ет более низкую стоимость синтезаторов частот, техническую простоту |