Лекция №3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Для решения различных измерительных задач (измерение чувствительности радиоприемных устройств, снятие амплитудно-частотных и переходных характеристик, определение быстродействия переключающихся схем и т. д.) требуются источники электрических сигналов со строго определенными параметрами. Подобными источниками обычно служат измерительные генераторы.
Измерительные генераторы – это экранированные источники электрических сигналов, мощность (напряжение) и степень модуляции которых могут быть фиксированными или регулируемыми в определенных пределах.
Измерительные генераторы подразделяют на следующие виды:
1) генераторы сигналов низкой частоты (ГНЧ) – источники гармонических немодулированных или модулированных сигналов инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых частот;
2) генераторы сигналов высокой частоты (ВНЧ) – источники гармонических немодулированных или модулированных сигналов высоких и сверхвысоких частот;
3) генераторы качающейся частоты (свип-генераторы) – источники гармонических сигналов, частота которых автоматически изменяется в пределах устанавливаемой полосы частот;
4) генераторы импульсов – источники одиночных или периодических видеоимпульсных сигналов, форма которых близка к прямоугольной;
5) генераторы сигналов специальной формы – источники одиночных или периодических видеоимпульсных сигналов, форма которых отлична от прямоугольной;
6) генераторы шумовых сигналов – источники электрических шумовых сигналов, значение спектральной плотности мощности которых или мощность шума в требуемой полосе частот известны.
Современные измерительные генераторы гармонических сигналов перекрывают диапазон частот от тысячных долей герц и до десятков гигагерц. В зависимости от конструктивных особенностей, присущих приборам, работающим в разных частях этого диапазона, измерительные генераторы делятся на: низкочастотные (до 300 кГц); высокочастотные (от 30 кГц до 300 МГц); сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом (от 300 МГц до 18 ГГц); сверхвысокочастотные с волноводным выходом (свыше 6 ГГц). Такая классификация обусловлена особенностями конструктивных решений колебательных цепей и электронных приборов (транзисторы, диоды, клистроны), пригодных для работы в данном диапазоне частот.
Установка и регулировка частоты осуществляется ручным или автоматическим способом. Отдельную группу приборов образуют генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты.
Для имитации реальных сигналов в генераторах предусмотрена возможность модуляции гармонических колебаний. По виду модуляции генераторы делятся на приборы с амплитудной и частотной синусоидальной модуляцией, амплитудной, частотной и фазовой импульсной модуляцией и с однополюсной модуляцией.
Выходной уровень напряжения (мощности) измерительных генераторов может быть калиброванным или некалиброванным. Калиброванный уровень напряжения изменяется от десятых долей вольт до сотых долей микровольт, а мощности – от единиц мкВт до 10 -14 Вт. Выходная мощность генераторов с некалиброванным уровнем может достигать нескольких ватт. Основными метрологическими характеристиками генераторов гармонических сигналов являются погрешности установки частоты и выходного уровня сигнала, нестабильность частоты, параметры выходного сигнала при модуляции, максимальная выходная мощность на согласованной нагрузке.
Генераторы импульсных сигналов формируют одиночные или парные прямоугольные импульсы с частотой повторения от долей герц до сотен мегагерц, длительностью от долей наносекунды до нескольких секунд и амплитудой от единиц милливольт до десятков вольт.
Основными метрологическими характеристиками генераторов синусоидальных сигналов являются: погрешность установки частоты; нестабильность частоты; погрешность установки выходного уровня сигнала; максимальная выходная мощность сигнала на согласованной нагрузке; параметры выходного сигнала при модуляции, коэффициент (нелинейных) гармонических искажений.
Все метрологические (технические) характеристики сигналов в рамках данной лекции мы рассматривать не будем. Ограничимся лишь рассмотрением коэффициента гармонических искажений.
Нелинейным искажением называется изменение формы гармонического сигнала, возникающее в результате его прохождения через устройство, содержащее нелинейные элементы. (В генераторах сигналов нелинейными элементами являются, главным образом, ламповые и полупроводниковые усилители сигналов).
Искаженный негармонический сигнал содержит в своем спектре постоянную составляющую, первую гармонику (основную частоту f) и высшие гармоники с частотами 2f, 3f, . Нелинейное искажение гармонического сигнала оценивается коэффициентом гармоник Kg, равным отношению среднеквадратического напряжения гармоник сигнала (кроме первой) к среднеквадратическому значению напряжения первой гармоники:
. (1)
Коэффициент гармоник часто выражается в процентах.
Нелинейные искажения сигнала любой формы оцениваются коэффициентом нелинейности Kн, который вычисляется по формуле
(2)
(отношение среднеквадратического значения высших гармонических к среднеквадратическому значению напряжения всех гармоник, т. е. к напряжению сигнала). Формулы (1) и (2) связаны соотношением:
, (3)
из которого следует, что при Kн £ 10 % оба выражения дают практически одинаковые результаты.
Имеются и другие методы оценки нелинейности – комбинационный, статистический, которые больше характеризуют нелинейные свойства радиотехнических устройств, чем искажения сигналов.
Нелинейные искажения сигнала измеряют гармоническим методом, который реализуется двумя способами – аналитическим и интегральным. Аналитический способ основан на формуле (1) и осуществляется по схеме рисунка 2. Гармонический сигнал генератора Г подают на вход измеряемого объекта ИО, на выходе которого включен анализатор спектра АС или анализатор гармоник. С помощью анализатора спектра получают спектрограмму выходного сигнала, измеряют абсолютные или относительные значения амплитуд высших гармонических и первой гармоники и по формуле (1) вычисляют коэффициент гармоник. Если используют анализатор гармоник, то его настраивают вручную на каждую последующую гармонику, записывают их значения и вычисляют Kg по той же формуле. Аналитический способ трудоемок и применяется с целью выяснения роли каждой гармоники в отдельности.
Интегральный способ основан на формуле (2) и позволяет оценить влияние всех высших гармонических на форму сигнала без определения их значений в отдельности. Для этого сначала измеряют среднеквадратическое значение сигнала, а затем то значение высших гармонических, которое останется после подавления напряжения первой гармоники. Интегральный способ часто называют способом подавления напряжения первой гармоники (основной частоты).
Измерение коэффициента нелинейных искажений осуществляют также с помощью прибора – измерителя нелинейных искажений.
Обобщенная структурная схема генератора сигналов (рисунок 3) включает задающий генератор, усилитель мощности, выходное устройство и электронный вольтметр.
Задающий генератор – первичный источник гармонических колебаний. Схема задающего генератора должна обеспечить широкие пределы и высокую точность установки частоты, высокую стабильность параметров гармонических колебаний и малый коэффициент нелинейных искажений.
В задающих генераторах используются три метода генерирования:
в) метод электронного моделирования.
Усилитель мощности является составной частью измерительных генераторов различного типа и служит для согласования относительно высокоомного выхода задающего генератора с низкоомным входным сопротивлением последующих аттенюаторов. Аттенюатор – это устройство, позволяющее вносить строго определенное затухание в сигнал. Предусмотренная в схеме усилителя регулировка коэффициента усиления позволяет по показаниям вольтметра установить на входе аттенюаторов требуемый уровень напряжения. Вводимая в схему усилителя отрицательная обратная связь способствует повышению стабильности характеристик усилителя и уменьшает степень нелинейных искажений усиливаемого напряжения. В ряде случаев усилитель мощности объединен со схемой задающего генератора.
Выходное устройство осуществляет контролируемое ослабление напряжения, поступающего от усилителя, а также обеспечивает согласование измерительного генератора с внешней нагрузкой. Выходное устройство состоит из ступенчатых аттенюаторов, проградуированных в децибелах, и трансформатора сопротивлений. Напряжение, поступающее на аттенюаторы, контролируют с помощью вольтметра. Отношение максимального уровня выходного напряжения к минимальному обычно составляет 10 5 – 10 6 . Выходное напряжение генератора определяют путем расчета по показаниям вольтметра um и введенному ослаблению A (выраженному в дБ):
. (4)
Как правило, выходное устройство содержит два ступенчатых аттенюатора, включенных последовательно. Результирующее ослабление A (дБ) равно сумме ослаблений, вносимых каждым аттенюатором: 
.
Типовые измерительные генераторы звуковой частоты имеют два вида выхода: несимметричный и симметричный. Симметричный выход образуют путем соединения средней точки вторичной обмотки трансформатора с корпусом прибора. Использование симметричного выхода способствует понижению уровня помех на входных зажимах внешней нагрузки.
Генераторы сигналов инфранизких частот. Эти генераторы предназначены для исследования и настройки узлов автоматического регулирования, сервомеханизмов, аналоговых вычислительных машин и других устройств, работающих в диапазоне частот, нижняя граница которых находится в инфразвуковой области (например, 0,001 Гц). Верхняя граница частот достигает в отдельных генераторах десятков и сотен килогерц. Формы выходных сигналов – синусоидальная, прямоугольная, треугольная, пилообразная и др.
Генераторы измерительных сигналов звуковых и ультразвуковых частот. Диапазон частот таких генераторов составляет 20 Гц – 20 (40) кГц и 20 Гц – 200 кГц соответственно. Обобщенная структурная схема генераторов указанных выше частот представлена на рисунке 4. Задающий генератор ЗГ вырабатывает сигналы нужных частот синусоидальной формы. Эти сигналы поступают на усилитель У, выходное напряжение которого контролируется электронным вольтметром, градуированным в действующих значениях. Необходимый уровень напряжения сигнала на выходе генератора устанавливается с помощью резистивного аттенюатора Ат, обычно вносящего ослабление до 100 дБ.
На рисунке 5 представлена упрощенная принципиальная схема двухзвенного резистивного ступенчатого аттенюатора, выполненного на Т-образных звеньях, рассчитанного на согласованную нагрузку 600 Ом. Когда ключ K1 замкнут, а K2 разомкнут, работает только первое звено. При значениях сопротивлений резисторов R1 и R2. 0 – ¥; 1,3 кОм – 278 Ом; 4,1 кОм – 66,7 Ом; 13 кОм – 19,6 Ом; 41 кОм – 6,06 Ом и ¥ – 3,8 Ом – ослабление составляет последовательный ряд значений: 0; 10; 20; 30; 40 и 50 дБ. Второе звено подключается при размыкании ключа K1 и замыкании K2 и вносит ослабление 50 дБ. Полное ослабление аттенюатора 100 дБ (10 5 раз); входное и выходное сопротивление 600 Ом; частотный диапазон 20 Гц – 200 кГц.
Выходное сопротивление генератора согласуется с сопротивлением его нагрузки Rн с помощью согласующего трансформатора СТ (рисунок 6). Трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода с малыми потерями и двух обмоток. Первичная обмотка присоединяется к выходу аттенюатора и потому рассчитывается на его выходное сопротивление RАт Вторичная обмотка секционирована. Число витков каждой секции w2C; определяется соотношением сопротивления нагрузки, включенной в данную секцию, и сопротивлением аттенюатора: 
, где w1 – число витков первичной обмотки; Rн – сопротивление нагрузки. Во вторичной обмотке предусмотрена средняя точка a, благодаря чему можно осуществить как симметричный, так и несимметричный выход генератора.
Генераторы измерительных сигналов звуковой и ультразвуковой частоты по схемному решению разделяются на RC— и LC-генераторы; генераторы на биениях (смешение частот) и прямого генерирования выходных частот; без стабилизации частоты и с диапазонно-кварцевой стабилизацией.
Генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты являются наиболее сложными среди генераторов звуковых и ультразвуковых частот. Они предназначены для генерации сигналов высокой стабильности, определяемой используемым в данном генераторе кварцевым резонатором. Для получения широкого диапазона стабильных частот применяются два способа: деление или умножение частоты кварцевого резонатора с последующим их смешением в соответствующих преобразователях, в результате чего получаются дискретные частоты; автоматическая подстройка выходной частоты генератора с плавной настройкой по частоте генератора с кварцевой стабилизацией, включая ее гармоники и субгармоники.
Дата добавления: 2016-04-06 ; просмотров: 6313 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Генераторы низкой частоты
Измерительные генераторы
Устройства, генерирующие электрические сигналы широко используются в различных областях науки и техники. Измерительные генераторы применяются при проверке и настройке различных приборов, определении частотных характеристик схем, например усилителей, и т. д. Измерительные генераторы бывают разных типов и, как правило, каждый из них выполняет несколько функций.
Классифицировать измерительные генераторы (ИГ) можно по многим признакам: по форме выходного сигнала они могут быть подразделены на генераторы гармонических колебаний, генераторы прямоугольных импульсов, генераторы пилообразной формы генераторы импульсов треугольной формы и др.
Генераторы гармонических колебаний, как в звуковом, так и в высокочастотном диапазоне, которые обеспечивают генерацию высокостабильной фиксированной частоты, называют задающими генераторами.
Генераторами сигналов часто называют модулирующие устройства.
Генераторы функций вырабатывают на выходе сигналы разной формы: синусоидальной, прямоугольной и др. Они обычно имеют более низкие характеристики, чем специализированные генераторы.
Генераторы частот бывают двух типов: 1) автогенераторы, у которых сигнал на выходе можно непрерывно перестраивать в пределах диапазона частот механическим или электронным методом. Они имеют хорошие общие характеристики, но точность и стабильность частоты относительно невелики. Погрешность установки частот в подобных схемах определяется качеством исполнения задающего генератора и способами перестройки элементов частотно-избирательных цепей. Обычно эта погрешность составляет (0,5-2,5) %; 2) синтезаторы частот, у которых источником выходного сигнала служит генератор высокостабильной фиксированной частоты, а частотный диапазон перекрывается несколькими последовательными операциями. В синтезаторах можно существенно понизить погрешность установки частоты.
Основные параметры измерительных генераторов
Важнейшими параметрами измерительных генераторов являются: диапазон частот выходного сигнала (частотный диапазон); параметры, характеризующие форму выходного сигнала; погрешность установки частоты; погрешность установки выходного напряжения; выходная мощность или выходное напряжение; выходное полное сопротивление.
Частотный диапазон генераторов лежит от сотых долей герца (лабораторные приборы работают от 0,00005 Гц) до частот СВЧ — диапазона. Широкодиапазонные генераторы обычно выполняются с несколькими поддиапазонами.
Форма выходного сигнала для различных генераторов характеризуется различными параметрами. Генераторы синусоидального сигнала характеризуются коэффициентом нелинейных искажений.
Для генераторов прямоугольных импульсов указывается длительность фронта и спада импульса, величина выбросов на вершине импульса и после его окончания, величина спада плоской вершины импульса.
К параметрам генераторов относится также и неравномерность частотной характеристики, которая показывает величину изменения выходного сигнала при изменении частоты.
Погрешность установки частоты определяется по двучленной формуле вида (аf + b) Гц, где f — частота выходного сигнала.
В генераторах может нормироваться также уход частоты после прогрева генератора. Стабильность частоты зависит от старения элементов, температурного дрейфа, изменений в источнике питания.
Стабильность амплитуды характеризует изменение амплитуды сигнала со временем при фиксированной частоте. Погрешность установки выходного сигнала определяется погрешностью вольтметра на выходе генератора и погрешностью аттенюатора.
Для достижения требуемого полного выходного сопротивления к генератору может подключаться последовательно добавочные сопротивления. Многие генераторы имеют 600-омный выходной аттенюатор.
Измерительные генераторы должны иметь широкие пределы изменения выходного напряжения (мощности), высокую стабильность выходного сигнала, хорошую экранировку, низкий уровень шумов на выходе.
Обобщенная структурная схема измерительных генераторов
Генераторы всех типов состоят в основном из следующих частей: задающего генератора, преобразователя, выходного и измерительных устройств. Обобщенная структурная схема измерительного генератора показана на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Структурная схема ИГ
Задающий генератор (ЗГ) 1, который является источником колебаний, вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. От качества задающего генератора зависят основные метрологические характеристики всего генератора.
Преобразователь (Пр) 2 выполняет различные функции. Он может повышать энергетический уровень сигнала ЗГ (усилитель напряжения или мощности), формировать определенную форму (модулятор), образовывать сетку частот в синтезаторах (умножитель, делитель и преобразователь частоты), кодовые комбинации импульсов и др.
Выходное устройство (ВУ) 3 позволяет регулировать уровень выходного сигнала ИГ и изменять его выходное сопротивление, изменять полярность выходных импульсов и др. В составе ВУ могут быть аттенюатор, согласующий трансформатор, повторитель и т. п.
Измерительные устройства (ИУ) 4 обеспечивают установку параметров генерируемых сигналов с нормированной погрешностью. Функцию измерительных устройств могут выполнять отсчетные устройства функциональных узлов ИГ (например, частотные шкалы задающих генераторов, шкалы ослаблений аттенюаторов и др.) или встроенные измерительные приборы (вольтметры или ваттметры, частотомеры, осциллографические индикаторы и др.).
Генераторы гармонических (синусоидальных) сигналов
Генераторы гармонических колебаний строятся по различным схемам и их можно разделить на низкочастотные ИГ (20 Гц – 300 кГц), высокочастотные (30 кГц – 300 МГц), сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц). К источникам гармонических сигналов относятся также генераторы качающейся частоты (ГКЧ) и синтезаторы частот. Особенностью генератора качающейся частоты является автоматическое изменение (качание) частоты.
Генераторы гармонических сигналов состоят в основном из трех частей: задающего генератора, усилителя мощности и цепи обратной связи, которая вводится с целью компенсации потерь в схеме генерации (часть энергии с выхода усилителя передается обратно на вход). Если коэффициент усиления равен , а коэффициент обратной связи , то для генерации нужно, чтобы выполнялись два условия, называемые условиями Баркгаузена. Во-первых, усиление в петле обратной связи должно быть равно единице, во-вторых, фазовый сдвиг между входным напряжением и напряжением обратной связи должен быть равен нулю. Усилитель с нечетным числом каскадов дает фазовый сдвиг 180 0 , поэтому цепь обратной связи должна также обеспечивать фазовый сдвиг180 0 на частоте генерации.
Генераторы низкой частоты
В низкочастотных генераторах синусоидальных сигналов в качестве ЗГ используются RC-генераторы (в LC- генераторах для генерации низких частот требуется большая индуктивность).
Если не предъявляется высоких требований к значению коэффициента гармоник, используются генераторы с частотно-задающей положительной и частотно-независимой отрицательной обратной связью. Для малых значений коэффициента гармоник, более оптимальной является схема с частотно-задающей отрицательной и частотно-независимой положительной обратной связью
На рис. 8.2 показана схема задающего генератора с частотно-задающей положительной и частотно-независимой отрицательной обратной связью на мосте Вина, который в основном используется для частот звукового диапазона с верхней границей примерно до 100 кГц. Мост Вина образуется последовательным и параллельным RC-контурами совместно с резисторами R1, R2 и применяется в цепи обратной связи операционного усилителя. Схема Вина имеет нулевой фазовый сдвиг между входом и выходом, поэтому усилитель также должен обеспечивать нулевой фазовый сдвиг. Этой может быть достигнуто, например, с помощью четного числа каскадов усиления.
Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи β+, образованной резисторами R и конденсаторами С, находится как
β+ = jωRC/(1 — ω 2 R 2 C 2 + 3jωRC). (8.2)
Чтобы коэффициент обратной связи был вещественным, необходимо сделать знаменатель мнимым, т. Е. ω 2 R 2 C 2 = 1. При этом ω = 1/CR, а β+ = 1/3.
Ослабление, создаваемое цепью Вина, равно 3, поэтому минимальный коэффициент усиления усилителя должен быть равен 3.
Отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2) повышает стабильность коэффициента усиления. Амплитуда колебаний определяется произведением усиления k и обратной связи β. Изменяя R2 можно изменить амплитуду колебаний. Включение в цепь отрицательной обратной связи термосопротивления (R1) ограничивает амплитуду колебаний. При увеличении напряжения на выходе усилителя возрастает ток, протекающий по резисторуR1, и увеличивается глубина обратной связи, что приводит к снижению выходного напряжения. Таким образом, устанавливается заданная амплитуда колебаний.
Для получения неискаженной формы кривой выходного сигнала усилитель должен работать в линейном режиме.
RC-генератор с фазосдвигающей цепью обратной связи показан на рис. 9.3. Данная схема способна работать в широком интервале частот от нескольких герц, до десятков килогерц. Транзистор дает сдвиг фаз на 180 0 , поэтому трехкаскадная RC-цепь должна также обеспечивать сдвиг на 180 0 . Каждый каскад дает сдвиг на 60 0 , и в этом случае частота колебаний определяется выражением
f = 
/2πRC (8.3)
Ослабление цепи обратной связи равно 29, поэтому коэффициент усиления усилителя не менее 29. На практике емкость (С) изменяется для плавной перестройки частоты, а резистор (R) –для выбора диапазона.
Для повышения стабильности амплитуды выходного напряжения в генераторах применяются различные, сложные замкнутые системы автоматической стабилизации. (например, двухконтурные системы стабилизации амплитуды, состоящие из точного контура и контура динамической коррекции как в генераторе Г-113).
Генераторы инфранизких частот по схемам RC- или LC-генераторов не выполняются. На инфранизких частотах требуются большие номиналы резисторов, конденсаторов и индуктивностей. На рис. 8.4 приведена одна из возможных структурных схем инфранизкочастотного генератора.
1, 3 – делители напряжения с коэффициентом деления α1 и α2;
2, 4 – интеграторы с коэффициентом передачи 1/ωτ1 и 1/ωτ2; 5 – инвертор
Выходной сигнал данной схемы является решением дифференциального уравнения
Решая данное уравнение, получаем
Uвых(t) = Um sin ( 
+ φ) (8.5)
т.е. синусоидальный сигнал с частотой
f = 
(8.6)
Плавное изменение частоты осуществляется изменением коэффициентов деления α1 и α 2, а ступенчатое – изменением значений резисторов и конденсаторов , определяющих постоянные времени интеграторов.
Схема генератора позволяет установить желаемую начальную фазу колебаний, что существенно на инфранизких частотах. Для установки начальной фазы заряжают времязадающие конденсаторы в интеграторах до определенного напряжения.
Практические схемы генераторов имеют дополнительную цепь положительной обратной связи для обеспечения незатухающих устойчивых колебаний и узел нелинейной функции, обеспечивающий стабильность амплитуды выходного сигнала генератора.
9.4.2.Генераторы высокой частоты
Структурная схема генератора высокой частоты представлена на рис. 8.5. 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).
Высокочастотные измерительные генераторы выполняются на базе LC—генераторов
Резонансная частота LC–цепи равна
f =1/2π 
(8.7)
В генераторе сигнал этой частоты усиливается и поступает на выход, причем часть сигнала поступает в цепь обратной связи для компенсации потерь в LC-цепи.
Рассмотрим в качестве примеров LC-генераторов индуктивный и емкостный трехточечные генераторы.
Один из вариантов выполнения индуктивного трехточечного генератора показан на рис. 8.6.
На схеме рис. 8.6 емкость С шунтирует индуктивность с отводом L, и вместе они образуютLC-контур. Обратная связь осуществляется через RC-цепь. Транзистор обеспечивает фазовый сдвиг на 180 0 , а сдвиг еще на 180 0 между выходом и петлей обратной связи достигается с помощью отвода от индуктивности L. Конденсатор С имеет переменную емкость для изменения частоты генератора.
Один из вариантов емкостного трехточечного генератора показан на рис. 8.7. В схеме используется трансформаторный выход. Схема похожа, на ранее рассмотренную схему, только вместо индуктивности с отводом используются две емкости.
Частота генерации рассчитывается по той же формуле (8.7), в которой
Величина обратной связи зависит от значений С1 и С2, она возрастает, когда С1 уменьшается. РезисторR2 вызывает затухание колебаний, так что оно не должно выбираться слишком малым, а R1С3обеспечивает подачу смещения на базу транзистора.
Для получения необходимого диапазона частот генераторы выполняются многодиапазонными с малым перекрытием по диапазонам. Для получения большого перекрытия по диапазону при заданной неравномерности частотной характеристики применяют схемы на биениях. Структурная схема генератора на биениях представлена на рис. 8.8.
ГФЧ– генератор фиксированной частоты f0; ГПЧ–генератор перестраиваемой частоты f + ∆f; СМ – смеситель; ФНЧ – фильтр нижних частот
Частота выходного сигнала изменяется от 0 до Δf при относительно небольшой перестройке частоты генератора перестраиваемой частоты (ГПЧ), что и позволяет обеспечить заданную неравномерность частотной характеристики.
Стабильность частоты выходного напряжения определяется стабильностью частоты генераторов ГФЧ и ГПЧ и зависит от отношения f0/Δf. Чем больше это отношение, тем более высокие требования предъявляются к генераторам ГФЧ и ГПЧ. Схемы этих генераторов выполняются идентично для того, чтобы различные факторы одинаково влияли на оба генератора и в итоге разностная частота оставалась постоянной.
К недостаткам схемы на биениях следует отнести ее относительную сложность. Кроме того, при частотах выходного сигнала, близких к нулю, возможен захват частот генераторов (самосинхронизация). Для того чтобы избежать этого явления, схемы генераторов тщательно экранируют и развязывают по питанию, между генераторами и смесителем ставят буферные усилители, а это усложняет схему и конструкцию генераторов на биениях.
Погрешность установки частоты выходного напряжения рассмотренных схем генераторов определяется качеством исполнения и способами перестройки элементов частотно-избирательных цепей. Эта погрешность составляет (0,5 – 2,5)%. Существенно снизить погрешность можно в синтезаторах частоты.
Известны два типа синтезаторов частот: 1) с прямым синтезом частот; 2) с косвенным синтезом частот.
В приборах с прямым синтезом частот (рис. 8.9) используется стабильный генератор с несколькими каскадами гармонических умножителей и смесителей, что обеспечивает широкий выбор частот на выходе. При умножении и делении f0 получают ряд сигналов частот f0n1 и f0/n2, где n1и n2 любые целые числа. Последовательное применение этих операций позволяет получить сигналы с частотами f0n1/n2. С помощью смесителя образуются сигналы комбинационных частот. Большое распространение получили декадные синтезаторы, в которых сетка частот определяется соотношением
где n1, n2, n3, … – целые числа натурального ряда от 0 до 9; М и m – фиксированные величины, определяющие диапазон частот синтезатора. Минимальное дискретное изменение fВЫХ называется шагом сетки частот. При малых шагах (например, 0,01 Гц) уже не имеет значение, что fВЫХ изменяется дискретно, а не плавно.
Частотная декада преобразует одну из опорных частот fi в несколько частот в пределах одного десятичного разряда. Число этих частот определяется конкретным видом соотношения (8.7).
При прямом синтезе каждая декада представляет собой генератор гармоник fi, которые выделяются при помощи полосовых фильтров. Декады содержат обычно один или два смесителя в сочетании с делителем частоты в 10 раз и включаются последовательно или параллельно. Верхняя граница частоты в таких синтезаторах достигает сотен мегагерц (порядка 500 МГц).
При косвенном синтезе частот каждая декада имеет кольцо фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и может выполняться как с умножением, так и с делением частоты.
На рис. 8.10 показана одна из возможных схем подобных синтезаторов частот. Напряжение частотой fП/КД (КД – коэффициент деления УДЧ) с выхода управляемого генератора (УГ) через управляемый делитель частоты (УДЧ) поступает на один вход фазового детектора (ФД), на второй вход которого с кварцевого генератора (КГ) через делитель частоты (ДЧ) поступают опорные колебания с частотой f0/n (n – коэффициент деления ДЧ). В результате сравнения фаз двух колебаний на выходе ФД формируется напряжение, которое, изменяет выходную частоту УГ и пропорционально интегралу от разности частот fП/КД и f0/n.
Выходные колебания УГ и КГ смешиваются в смесителе (СМ), на выходе которого будет сигнал с частотой f = f0 — fП. ФНЧ предназначен для подавления высших гармоник разностной частоты. Изменяя коэффициент деления УДЧ, можно перестраивать частоту выходных сигналов в широких пределах.
При соответствующем выборе значения f0 (для некоторых схем f0 в пределах 1 – 10 МГц) можно с помощью одного синтезатора перекрыть диапазоны инфранизких, низких и высоких частот.
Следует отметить, что метод косвенного синтеза эффективен и в СВЧ диапазоне, но при этом схемы фазовой автоподстройки значительно усложняются и предусматривают последовательное преобразование частот СВЧ генератора.
Погрешность установки частоты в таких синтезаторах может составлять (10 -5 — 10 -3 ) %. Недостатком является относительно высокий уровень нелинейных искажений (0,2 – 0,5) %.
Дата добавления: 2015-12-10 ; просмотров: 14033 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник