УЧ-Метод пособие ЭЛ ИЗМЕРЕНИЯ. Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине электрические измерения
 Скачать 6.36 Mb.
|
|
Тема 2.2 Измерительные генераторы Классификация и основные параметры измерительных генераторов Генератором измерительных сигналов называется прибор, создающий электрические сигналы с известными параметрами – частотой, напряжением (мощностью) и формой. Основное назначение измерительных генераторов – имитация сигналов, поступающих на вход исследуемого устройства в реальных рабочих условиях. Кроме того они могут использоваться в качестве источников питания различных измерительных устройств – мостов, резонансных цепей, преобразователей и т.п. Подгруппа приборов, предназначенная для формирования измерительных сигналов, обозначается буквой «Г». Согласно ГОСТ в эту подгруппу входят семь видов приборов: Г1 – используют для проверки генераторов; Г2 – генераторы шумовых сигналов; Г3 – генераторы низких частот от 20 Гц до 300 кГц, формирующие сигналы синусоидальной формы. (Имеется тенденция расширения этого диапазона вниз до долей герца и вверх до единиц мегагерц); Г4 – высокочастотные синусоидальные генераторы. Обычно эти генераторы носят название высокочастотных в диапазоне от 30 кГц до 300 МГц и СВЧ - в диапазоне от 300 МГц до 18 ГГц; Г5 – генераторы импульсов; Г6 – генераторы сигналов специальной формы; Г7 – генераторы качающейся частоты (свип генераторы). Г8 - синтезаторы частоты. К основным параметрам генераторов относятся: 1. Форма сигнала измерительного генератора (синусоидальная, импульсная и т.д.) 2. Форма сигнала данной формы (частота повторения, амплитуда, длительность и скважность прямоугольного импульса, длительность фронта и среза, коэффициент гармоник и т.п.) 3. Предел регулировки параметров сигнала (диапазон частот, пределы регулировки ослабления, пределы установки длительности и т.п.). 4. Пределы допускаемых погрешностей установки параметров сигнала (установки частоты, амплитуды, длительности импульсов и т.п.) 5. Нестабильность параметров сигнала за некоторый интервал времени (указывается при определенных изменениях внешних условий, напряжения питания, регулировании других параметров сигнала). Генератор сигналов низкой частоты вырабатывает синусоидальный сигнал в диапазоне от 26 Гц до 400 кГц, который разделен на пять поддиапазонов (26...240, 200...1500 Гц: 1.3...10, 9...60, 56...400 кГц). Максимальная амплитуда выходного сигнала 2 В. Измерительные генераторы сигналов низкой частоты предназначены для воспроизведения электромагнитного синусоидального сигнала низкой частоты. Измерительные генераторы сигналов низкой частоты применяются для проверки и настройки радиоэлектронных устройств: промежуточных и усилительных каналов радиоприемных и телевизионных устройств, каналов связи радиопередающих устройств, настройке и ремонте профессиональных и любительских усилителей. Рассмотрим общую структурную схему генератора низких частот (НЧ). Рисунок 2.40 – Структурная схема измерительного генератора НЧ Задающий генератор (ЗГ) предназначен для формирования сигналов с определенной частотой и формой. Представляет собой автогенератор периодических сигналов, и служит для преобразования энергии источника питания в энергию электромагнитных колебаний. В зависимости от схемы задающего генератора (ЗГ) генераторы низких частот делятся на гене-раторы LC и RC-типа. После задающего генератора включается усилитель, который предназначен для создания необходимой мощности на нагрузке во всем диапазоне вырабатываемых частот. Выходное напряжение усилителя изменяется от нуля до максимума при помощи потен-циометра, включенного на его входе. Напряжение на выходе усилителя изме-ряется электронным вольтметром, а затем поступает на выходное устройство, которое состоит из аттенюатора и согласующего трансформатора. Аттенюатор (делитель напряжения) предназначен для ослабления выходного сигнала, т.е. для установки нужной величины выходного напряжения. Согласующий трансформатор предназначен для изменения выходного сопротивления прибора, т.е. для согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки. От схемы выходного устройства зависит выходное сопротивление прибора. Блок питания преобразует напряжение сети переменного тока в напряжение постоянного тока и обеспечивает питание всех блоков генератора. Генератор сигналов высокой частоты вырабатывает синусоидальный сигнал в диапазоне от 140 кГц до 12 МГц (поддиапазоны 140...340, 330...1000 кГц, 1...2,8,2,7...12МГц). Высокочастотный сигнал может быть промодулирован по амплитуде сигналом как с внутреннего генератора НЧ. так и с внешнего. Генератор СВЧ сигналов используют в производстве измерительных приборов, устройств связи, бытовой техники и разнообразного медицинского диагностического оборудования. Высокочастотные генераторы предназначены для получения электрических колебаний в диапазоне частот от десятков кГц до десятков и даже сотен МГц. Такие генераторы, как правило, выполняют с использованием LC-колебательных контуров или кварцевых резонаторов, являющихся частотозадающими элементами. Структурная схема генератора высокой частоты представлена на рис. 2.41. Высокочастотные колебания с задающего генератора (ЗГ) усиливаются и модулируются в усилителе (У) и через аттенюатор (АТ) поступают на выход. Обычно генераторы могут работать от ряда модулирующих устройств (МУ), например синусоидального или импульсного генераторов, а также внешнего сигнала. Некоторые генераторы имеют частотную модуляцию. В генераторах высокой частоты имеется обычно два вольтметра: В1 – вольтметр несущей частоты; В2 – вольтметр измеряющий глубину модуляции (модулометр). Рисунок 2.41 – Структурная схема измерительного генератора ВЧ Высокочастотные генераторы выполнены по традиционной и хорошо зарекомендовавшей себя на практике схеме «индуктивной трехточки». Они различаются наличием эмиттерной RC-цепочки, задающей режим работы транзистора по постоянному току. Для создания обратной связи в генераторе от катушки индуктивности делают отвод. Нестабильность работы генераторов высокой частоты на биполярных транзисторах обусловлена заметным шунтирующим влиянием самого транзистора на колебательный контур. При изменении температуры и/или напряжения питания свойства транзистора заметно изменяются, поэтому частота генерации «плавает». Для ослабления влияния транзистора на рабочую частоту генерации следует максимально ослабить связь колебательного контура с транзистором, до минимума уменьшив переходные емкости. Кроме того, на частоту генерации заметно влияет и изменение сопротивления нагрузки. Поэтому крайне необходимо между генератором и сопротивлением нагрузки исключить эмиттерный (истоковый) повторитель. Для питания генераторов следует использовать стабильные источники питания с малыми пульсациями напряжения. Генераторы сверхвысоких частот Генераторы сверхвысоких частот (СВЧ-генераторы) работают в диапазоне частот 1...140 ГГц. По типу выходного соединителя с исследуемой схемой они делятся на коаксиальные и волноводные, причем последние более высокочастотные. Для СВЧ-генераторов характерно одно-диапазонное построение, с небольшим перекрытием по частоте (около октавы — 2 раза). Некалиброванная выходная мощность измерительного СВЧ-генератора — несколько Вт, а калиброванная достигает нескольких мкВт. Шкалы калиброванных аттенюаторов СВЧ-генераторов градуируют в дБ, а ГСС — в дБ и мкВт. Генераторы сверхвысоких частот используют для настройки радиоприемных устройств радиолокационных и радионавигационных станций, систем космической связи и спутникового вещания, измерения параметров антенн и т. д. Обобщенная структурная схема генератора СВЧ показана на рис. 3. Рисунок 2.42- Структурная схема генератора СВЧ Особенностями измерительных генераторов этого вида являются относительная простота электронной части схемы и сложность механических узлов приборов. Схема генератора СВЧ включает собственно СВЧ-генератор, импульсный модулятор, измеритель малой мощности, частотомер и калиброванный аттенюатор. Все высокочастотные узлы генератора соединяются волноводами. Задающие СВЧ-генераторы измерительных приборов выполняют на отра- жательных клистронах с внешним или внутренним резонатором, на диодах Ганна, магнетронах, лавинно-пролетных диодах (ЛПД) или на лампах обратной волны (ЛОВ) В измерительных СВЧ-генераторах необходима тщательная экранировка, так как утечка мощности с ростом частоты возрастает. Провода питания выполняются в виде коаксиальных кабелей со специальным наполнением, хорошо поглощающим энергию СВЧ-колебаний. Повышенные требования предъявляют и к источникам питания, так как активные элементы СВЧ-диапазона чувствительны к нестабильности питающих напряжений. Генераторы импульсов Особое место в ряду генераторов специальной формы занимают импульсные (релаксационные) генераторы. Они подразделяются на генераторы периодической последовательности импульсов и генераторы кодовых групп импульсов. Широкое применение находят генераторы периодических последовательностей прямоугольных импульсов. Для формирования прямоугольных импульсов со стабильными длительностью и частотой следования, крутыми фронтами и плоской вершиной используют блокинг-генераторы и мультивибраторы, работающие автоколебательном и ждущем режимах. В мультивибраторах применяется кварцевая стабилизация частоты. Рисунок 2.43 (а) Упрощенная структурная схема импульсного генератора и временные диаграммы ее работы показаны на рисунке 2.44. Формирователь временных интервалов может работать в режиме автогенератора (положение ключа 7) или в ждущем режиме (положение ключа 2). Однократный пуск осуществляют нажатием кнопки Ки. Интервал Т определяет частоту следования импульсов f=1/T. Длительность импульсов определяется временем задержки, как в одноименной схеме: τ и =τ з Рисунок 2.44 (а) - Упрощенная структурная схема импульсного генератора; (б ) - временные диаграммы ее работы- По длительности прямоугольных импульсов импульсные генераторы делятся на микросекундные и наносекундные. Классы точности импульсных генераторов устанавливаются отдельно по амплитуде, частоте следования и длительности импульса. Кроме того, в документации указываются t фн и t ф.сп Классы точности по амплитудному значению устанавливаются как приведенная погрешность, а по остальным параметрам как относительная погрешность от измеряемой величины. Причем погрешности установки временных параметров в среднем достигают нескольких процентов. Обозначение отечественных генераторов периодических прямоугольных импульсов — Г5. Параметры реального импульса представлены: Рисунок 2.45– Параметры идеального прямоугольного импульса Q= скважность импульса (55) Рисунок 2.46 - Параметры реального прямоугольного сигнала Амплитуда – максимальное значение напряжения, силы тока или мощности в импульсе. Длительностью фронта – промежутком времени, за который напряжение в импульсе возрастает от 0,1 до 0,9 от амплитудного значения. Длительностью среза – промежутком времени, за который напряжение в импульсе убывает от 0,9 до 0,1 от амплитудного значения. Длительностью импульса – измеряется на уровне 0,1 от амплитудного значения. Активной длительностью импульса – измеряется на уровне 0,5 от амплитудного значения. Современные генераторы сигналов специальной формы (Г6) относятся к универсальным измерительным приборам с широким частотным диапазоном, большим числом форм выходных сигналов и электронным управлением параметрами сигналов. В ряде случаев эти генераторы частично или полностью заменяют низкочастотные, в том числе инфранизкочастотные, высокочастотные и импульсные генераторы. Генераторы шумовых сигналов 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, 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); сверх высокочастотные (500 МГц — 12 ГГц). Основной узел шумового генератора — задающий генератор. Его сигналы должны иметь равномерную спектральную плотность мощности по всей требуемой полосе частот (тео- Рисунок 2.47- Структурная схема Г2 ретически это белый шум), 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. Таким образом, в задающем генераторе используются физические явления, при которых возникают достаточно интенсивные шумы со статическими характеристиками и параметрами, поддающимися достаточно несложному математическому анализу. Источники теплового шума Нагретый проволочный резистор. В качестве образцового источника шума может служить нагретый проволочный резистор. Конструктивно резистор выполняется в виде вольфрамовой спирали, намотанной на керамический каркас, температура которой поддерживается постоянной. Вакуумный диод, работающий в режиме насыщения, является источником шума вследствие случайного характера процесса термоэлектронной эмиссии. Болометрический генератор шума. К источникам тепловой шумовой мощности относится и болометрический генератор. Болометр представляет собой вакуумный стеклянный баллон, внутри которого натянута вольфрамовая нить. Источники теплового шума используются в качестве образцовых генераторов шумовых напряжений, так как расчетные данные хорошо совпадают с практическими результатами. В шумовых генераторах также применяются фотоэлектронные умножители, газоразрядные трубки, шумовые диоды и т. п. Газоразрядные источники Газоразрядные генераторы шума. Широкое применение в качестве первичного источника шума в сантиметровом диапазоне волн нашли газоразрядные шумовые трубки (ГШТ) с положительным столбом. Газоразрядные шумовые трубки имеют высокую равномерность спектральной плотности мощности шума в широкой полосе частот, стабильный и относительно высокий уровень мощности, просты в эксплуатации, устойчивы к жестким воздействиям внешней среды и обладают достаточно высокой эксплуатационной надежностью. Рисунок 2.48 - Газоразрядный шумовой генератор Газоразрядный шумовой генератор (рис. 2.48. а) выполнен в виде стеклянной трубки, наполненной инертным газом (аргоном или неоном) до давления от сотен до тысяч паскалей. На одном конце трубки расположен прямонакальный, или подогреваемый катод, на противоположном — анод. Свойство газоразрядных трубок генерировать шумы обусловлено колебаниями электронов в плазме. Для практического использования шумового излучения положительного столба ГШТ помещают в специальные генераторные секции. В зависимости от диапазона частот и типа трубки могут быть использованы генераторные секции, выполненные на волноводе, коаксиальной или полосковой линии. Волноводные шумовые генераторы 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 согласование ГШТ с линией передачи в широком диапазоне частот. Разработка генераторов шума в коротковолновой части миллиметровых волн сопряжена с большими трудностями из-за малого диаметра и толщины стенок ГШТ. В связи с этим шумовые генераторы миллиметрового диапазона изготовляют пакетированными без возможности в процессе эксплуатации производить смену ГШТ. В длинноволновой части сантиметровых волн из-за сложности согласования трубки с линией передачи обычно применяют коаксиальные или полосковые генераторы шума. В коаксиальных генераторах шума ГШТ помещают внутри ленточной спирали, которая является внутренним проводником коаксиальной линии. Внешним проводником служит цилиндрическая поверхность корпуса линии. Форма спирали (зазор между соседними витками, диаметр спирали) определяется исходя из 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 электрон- ной 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 импульсном режиме. Длительность импульса горения ГШТ ограничена снизу длительностью переходного процесса в газовом разряде. В зависимости от допустимых искажений минимальная длительность модулирующего импульса может составлять 0,2... 1 мс. Стандарты и синтезаторы частоты Как уже отмечалось, для создания стабильного по частоте и фазе сигнала используют кварцевые генераторы, имеющие высокую стабильность частоты. Кварцевые стандарты частоты имеют более высокие показатели по стабильности и их нестабильность частоты порядка 10 -8 ...10 -9 Еще лучшую стабильность частоты (нестабильность порядка 10 -12 ) обеспечивают квантомеханические стандарты частоты, действие которых основано на использовании электромагнитного излучения атомов определенного химического элемента при переходе их из одного энергетического состояния в другое. На этой основе созданы водородные, цезиевые и рубидиевые генераторы. Все перечисленные кварцевые генераторы и стандарты частоты обеспечивают формирование высокостабильных сигналов только на нескольких (порядка 3) значениях частот. При необходимости иметь большой набор генерируемых частот используют кварцевые синтезаторы частот. С и н т е з а т о р а м и ч а с т о т ы называют специальные генераторы гармонических напряжений с дискретной перестройкой частоты и стабильностью, равной стабильности частоты лучших кварцевых генераторов. Они обеспечивают синусоидальную форму, высокую спектральную «чистоту», большую точность установки и возможность программной перестройки частоты. Синтезаторы позволяют получать напряжения фиксированных частот с дискретностью (сеткой частот) до сотых долей герц. По точности установки и стабильности частоты синтезаторы превосходят обычные измерительные генераторы с плавной перестройкой частоты. Они легко сопрягаются с автоматизированными информационно-измерительными системами. Кварцевые синтезаторы частоты — это многочастотные генераторы гармонических напряжений с дискретной перестройкой частоты. Упрощенная структурная схема аналогового синтезатора частоты дана на рисунке 2.49. В нее входят кварцевый генератор частоты f 0 , устройство формирования опорных частот f 1 ,...,f n , устройство переключения, подключающее на выход сигнал нужной частоты, цифровое отсчетное и выходное устройства. Рисунок 2.49 - Упрощенная структурная схема аналогового синтезатора частоты В современных высококачественных широкодиапазонных измерительных генераторах требование высокой стабильности частоты и возможности ее быстрой перестройки являются трудно совместимыми. Поэтому при разработке синтезаторов частоты переходят к дискретному перекрытию частотного диапазона, при котором допускается генерирование сигналов на любой из множества частот, следующих друг за другом с определенным фиксированным интервалом, называемым шагом дискретной сетки. |