Генераторы измерительных сигналов

Контрольная работа

Содержание

1 Классификация измерительных генераторов

2 Генераторы синусоидальных сигналов низкой частоты

2.1 Генераторы синусоидальных сигналов основной частоты

2.2 Генератор на биениях

2.3 Синтезаторы частоты

2.4 Цифро-аналоговые генераторы.

3 Генераторы синусоидальных сигналов высокой частоты и СВЧ – генераторы.

4 Генераторы импульсов

Литература

1. Классификация измерительных генераторов

Генераторы измерительных сигналов (измерительные генераторы) - это приборы предназначенные для формирования электрических сигналов с заданными параметра.

Основными параметрами выходных сигналов измерительных генераторов являются

- форма сигнала

- частота

- величина выходного напряжения (мощности)

Измерительные генераторы относятся к приборам группы « Г».Среди них различают:

Г1- –устройства, используемые при поверке генераторов

Г2- – генераторы шумовых сигналов

Г3- – генераторы синусоидальных сигналов низкой частоты. Предназначены для формирования сигналов в диапазоне частот (от 20 до 300103) Гц. Для современных генераторов расширенный диапазон частот (от 0,01 до 106) Гц.

Г4- – генераторы синусоидальных сигналов высокой частоты и СВЧ генераторы. Предназначены для формирования сигналов в диапазоне частот (от 50106) Гц и в СВЧ – диапазоне до 40 ГГц.

Г5- – генераторы импульсных сигналов

Г6- – генераторы сигналов специальной формы

Г7- – генераторы качающейся частоты (свипгенераторы)

Генераторы синусоидальных сигналов получили наибольшее распространение в технике связи. Основными нормируемыми параметрами для них являются:

Диапазоны частот формируемых сигналов. Он определяется путем задания максимальной fmax и минимальной fmin частот. Как правило, весь диапазон частот разбивается на несколько поддиапазонов. Относительная ширина всего диапазона характеризуется коэффициентом перекрытия

(1)

Величина Кп может принимать значения от 10 000 (для приборов группы Г3) до 1,12,0 (для генераторов СВЧ)

Погрешность установки частоты. Указывается либо для всего диапазона, либо для каждого поддиапазона
Нестабильность частоты – предел допускаемого отклонения частоты. Различают кратковременную – за любые 15 мин работы прибора, и долговременную – за любые 3 часа и более работы
Величина выходного напряжения (Uвых) определяется назначением генератора и может быть в пределах от 1 мкВ (для приборов Г4) до 100 В (для приборов Г3)
Погрешность установки уровня выходного напряжения (мощности) определяется основной погрешностью вольтметра генератора
Нестабильность уровня выходного напряжения (мощности)
Уровень гармонических составляющих нормируется путем задания предельного значения коэффициента гармоник КГ

(2)

где U1 – среднеквадратическое значение напряжения основной гармоники выходного сигнала

Ui – среднеквадратические значения напряжений гармонических составляющих

– Выходное сопротивление Rвых. Как правило Rвых изменяется дискретно, принимая значения (600,75,50,15,10,5) Ом. Нужная величина выбирается из условия согласования выходного сопротивления генератора Rвых с сопротивлением нагрузки Rн. Условием полного согласования является Rвых = Rн. При большой нагрузке (Rн – мало) используется согласующий трансформатор. Полагая, что коэффициент полезного действия согласующего трансформатора КПДт = 1 , можно записать U1 I1 = U2 I2;

Где U1 и U2 – среднеквадратические значения напряжений на входной и выходной обмотках трансформатора; U1I1 и U2I2 – мощности во входной и выходной обмотках трансформатора соответственно.

Тогда коэффициент трансформации согласующего трансформатора определится из соотношения:

2. Генераторы синусоидальных сигналов низкой частоты (ГНЧ).

При нормировании метрологических характеристик низкочастотных генераторов вводится понятие индекса класса точности. За индекс класса точности принимается значение основной погрешности установки частоты и уровня выходного напряжения в процентах. Запись вида, например, F0,5 U2,5 означает, что основная относительная погрешность установки частоты не превышает 0,5 %, а основная приведенная погрешность установки выходного напряжения (уровня) не превышает 2,5 %. Для большинства генераторов НЧ широкого применения установлено 6 классов по частоте и 5 классов по напряжению

F 0,1 ; 0,5 ; 1,0 ; 1,5 ; 2,0 ; 3,0

U 1,0 ; 2,0 ; 3,5 ; 4,0 ; 6,0 .

Для каждого класса точности установлены нормы на другие метрологические характеристики ГНЧ.

Обобщенная структурная схема генератора синусоидальных сигналов низкой частоты.

Рисунок 1

На схеме обозначены:

ЗГ – задающий генератор

УНЧ – усилитель низкой частоты

АТТ – аттенюатор

СТ – согласующий трансформатор

АРУ –система автоматической регулировки уровня

В – вольтметр

Задающий генератор (ЗГ) - предназначен для формирования сигнала заданной формы и частоты. Известные типы и схемные решения ЗГ будут рассмотрены ниже.

УНЧ – предназначен для усиления сигнала ЗГ по напряжению и мощности, а также для развязки выхода ЗГ от выхода генератора.

Аттенюатор – предназначен для внесения известного затухания в уровень выходного сигнала генератора. Как правило, он позволяет ступенчато (обычно через 10 ДБ) изменять ослабление сигнала на выходе генератора.

Согласующий трансформатор (СТ) – предназначен для согласования выходного сопротивления генератора Rвых с сопротивлением нагрузки Rн. Условием полного согласования является Rвых = Rн.

СТ, как правило, используется в генераторах с повышенной выходной мощностью (Рвых > 5 Вт).

АРУ – предназначен для стабилизации уровня сигнала на выходе УНЧ. Применяется в генераторах с повышенными требованиями к точности установки выходного напряжения и его стабильности.

Вольтметр (В) – предназначен для контроля напряжения на выходе УНЧ в процессе регулировки и установки заданного уровня выходного сигнала генератора.

Наиболее важным блоком структурной схемы ГНЧ, определяющим диапазон генерируемых частот, погрешность установки и нестабильность частоты, искажения формы сигнала и т.д., является задающий генератор (ЗГ). В ЗГ могут использоваться следующие схемные решения:

- LC - генераторы

- RC - генераторы

- генераторы на биениях

- синтезаторы частот (генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты

- цифро-аналоговые генераторы

Остановимся подробнее на указанных схемных решениях ЗГ.

LC – генератор представляет собой усилительную схему с самовозбуждением, содержащую колебательный LC – контур. Частота генерируемого сигнала f0 определяется параметрами контура

(3)

В генераторах основной частоты данная схема не используется, т.к. при формировании низких частот требуются большие величины L и С, что, в свою очередь, ухудшает характеристики генерируемых сигналов.

RC – генератор представляет собой усилитель, охваченный положительной RC обратной связью (как правило двойной Т – образный мост Вина). В этом случае схема RC – генератора имеет следующий вид:

Рисунок 2

Если R1 = R2 = R

C1 = C2 = C , то частота формируемого сигнала определяется соотношением

(4)

Для того, чтобы схема работала в автоколебательном режиме необходимо выполнить два условия самовозбуждения:

а) Баланс амплитуд К > 1, где

К – коэффициент передачи разомкнутого усилителя (коэффициент усиления )

– коэффициент передачи цепи обратной связи.

б) Баланс фаз

(5)

где - сдвиг фазы обеспеченный операционным усилителем

- сдвиг фазы цепи обратной связи.

В данной схеме перестройка по частоте, как правило, осуществляется:

- по поддиапазонам – дискретно за счет переключения сопротивлений

- внутри поддиапазона – плавно за счет изменения величины емкости.

2.2. Генератор на биениях

Выходной сигнал в ЗГ данного типа формируется за счет смешения двух высокочастотных сигналов близких по частоте и последующего выделения сигнала разностной частоты – напряжения биения.

Рисунок 3. Структурная схема задающего генератора на биениях.

На схеме обозначены:

ГФЧ - генератор фиксированной частоты

ГПЧ - генератор перестраиваемой частоты

СМ - смеситель

ФНЧ - фильтр низкой частоты

В блоках ГФЧ и ГПЧ, как правило, используются схемы автогенерации типа LC.

В структурных схемах ЗГ данного типа удается обеспечить более высокую стабильность частоты.

2.3. Синтезаторы частоты

Выходной сигнал в рассматриваемых ЗГ формируется в результате преобразования частоты опорного высокостабильного генератора (как правило с кварцевой стабилизацией частоты).

Основные характеристики синтезаторов частоты

- Диапазон частот выходного сигнала от 50 Гц до 50*106 Гц с дискретностью установки до 0,01 Гц

- Нестабильность частоты до 10-8 за сутки

- Уровень подавления комбинационных частот до 70 дБ

Синтезаторы строятся по методу прямого или косвенного синтеза. Прямой синтез основан на выполнении 4–х арифметических действий (умножение, деление, сложение, вычитание) над частотой опорного генератора и последующей фильтрации возникающих комбинационных частот. Косвенный синтез заключается в синхронизации частоты автогенератора выходного сигнала с частотой опорного генератора.

Рисунок 4 Упрощенная структурная схема прямого синтеза частоты

На схеме обозначены:

ГОЧ – высокостабильный генератор опорной частоты.

БСЧ – блок синтеза частот

2.4. Цифро-аналоговые генераторы.

В задающих генераторах данного типа входной сигнал формируется путем кусочно-ступенчатой аппроксимации функции sin задающей частоты. С использованием данного метода строится схема генераторов низких и инфронизких частот, а также генераторы с фиксированным значением частоты входного сигнала.

Обобщенная структурная схема формирования цифро-аналогового генератора и принцип кусочно-ступенчатой аппроксимации входного сигнала представлен на рисунках.

Рисунок 5. Структурная схема цифро-аналогового генератора.

На схеме обозначены:

ГОЧ – генератор опорной частоты

СТ – счетчик импульсов

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (хранит коды функции sin в точках дискретизации)

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

УНЧ – усилитель низкой частоты

Рисунок 6. Принцип кусочно-ступенчатой аппроксимации функции sin.

С использованием данного метода строятся схемы ГНЧ в диапазоне частот (от 0,01 до 10) Гц обладающие лучшими метрологическими характеристиками.

- Погрешность установки частот 0,05 %.

- Нестабильность частот формируемого сигнала – до 10-8 в сутки.

- коэффициент гармоник кг0,05%.

- легко согласуются с информационно-измерительными комплексами более высокого уровня иерархии.

3. Генераторы синусоидальных сигналов высокой частоты и СВЧ – генераторы.

В зависимости от требований к метрологическим характеристикам различают две группы ГВЧ: прецизионные и общего применения. Для ГВЧ первой группы характерно:

- погрешность установки и кратковременная нестабильность частоты 10.

- должны обеспечивать возможность модуляции сигналами различного вида, а также однополосную модуляцию и многочастотную структуру выходного сигнала.

При их создании используются методы диапазонно-кварцевой стабилизации и синтеза частот. Применяются при испытании устройств магистральной и радиотелефонной связи.

Основные характеристики ГВЧ общего применения.

- Погрешность установки частоты (0,011,5)% при кратковременной нестабильности от 10-4 до 10-6

- Как правило, предусматривают следующие режимы работы:

максимального сигнала.
непрерывной генерации немодулированного сигнала
внешней амплитудной (реже частотной) модуляции
внутренней амплитудной модуляции.

В зависимости от величины стабильности выходной мощности принято различать генераторы сигналов (ГС) и генераторы стабильных сигналов (ГСС). Генераторы сигналов имеют входную мощность до 3 Вт и используются для питания передающих антенн и других мощных устройств.

ГСС – маломощные источники с низким уровнем выходного калиброванного напряжения (от 0,1 до 1,0) В. Применяются при испытании и настройке радиоаппаратуры, измерениях чувствительности и избирательности приемников, частотных характеристик фильтров и т.п.

Рисунок 7. Обобщенная структурная схема генератора высокой частоты общего применения

На приведенной схеме обозначены:

- ЗГ - задающий генератор. Выполняется на базе генератора типа LC (трехточечная схема с емкостной положительной ОС). Частота формируемого сигнала . Переключение поддиапазонов частоты, как правило, производится за счет коммутации катушек индуктивности. Плавная перестройка “внутри” поддиапазона осуществляется с помощью конденсаторов переменной емкости. Коэффициент перекрытия по частоте, в большинстве случаев, кп . К выходу ЗГ подключается основной и вспомогательный каналы преобразования.

- Вспомогательный канал содержит: дополнительный усилитель высокой частоты и электронно-счетный частотомер (ЭСЧ). Служит для формирования сигнала обеспечивающего возможность контроля значения и нестабильности частоты формируемого сигнала.

- Основной канал преобразования включает себя: модулятор (М), основной усилитель высокой частоты (УВЧ), систему автоматической регулировки уровня (АРУ), аттенюатор, внутренней генератор низкочастотных, как правило гармонических, сигналов.

- Модулятор представляет собой нелинейный электронный блок, коэффициент передачи которого, зависит от величины поданного управляющего напряжения.

- УВЧ - предназначен для усиления сформированного сигнала по напряжению и мощности, а также для “развязки” входа ЗГ от нагрузки, подключаемой к выходу прибора.

- Система АРУ включается в цепь ОС ГВЧ с целью стабилизации уровня напряжения на входе аттенюатора. Она содержит детектор (как правило среднеквадратических значений), источник опорного напряжения (ИОН) и дифференциальный усилитель.

С выхода дифференциального усилителя сигнал “рассогласования” подается на вход модулятора, коэффициент передачи которого устанавливается такой величины, чтобы разность напряжений на выходе детектора и ИОН оказалось равной нулю.

- Аттенюатор предназначен для внесения известного затухания (ослабления) в уровень выходного сигнала. Последовательно с входом АТТ как правило, включается сопротивление 50 Ом для согласования выхода УВЧ с нагрузкой в случае если аттенюатор установлен в положение “0”дБ.

- Внутренний генератор низкой частоты предназначен для обеспечения амплитудной модуляции выходного сигнала гармоническим сигналом частотой 1000 Гц (реже 400 Гц) в режиме внутренней амплитудной регуляции.

В современных измерительных комплексах ГВЧ используются в качестве источника калиброванного сигнала. В этом случае в ЗГ перестройка по частоте производится не механической коммутацией индуктивностей LC контуров, а за счет деления частоты. Это позволяет увеличить стабильность частоты формируемого сигнала, а также производить без инерционное переключение поддиапазонов.

Рисунок 8. Структурная схема задающего генератора с формированием поддиапазонов

за счет деления частоты

На схеме обозначены:

ЗГ – задающий генератор типа LC.

ПФ – полосовой фильтр

Генераторы СВЧ предназначены для работы в диапазоне частот(0,340) ГГц. Они применяются для настройки радиоприемных устройств, радиолокационных и радионавигационных станций, систем космической связи и спутникового вещания, измерения параметров антенн, ретрансляторов, радиорелейных линий и т.п. в схему генераторов входит задающий генератор, модулятор, измеритель мощности, частотомер и аттенюатор. В зависимости от диапазона частот в качестве активного элемента схемы задающего генератора используют СВЧ – транзисторы, отражательные клистроны с внешним или внутренним объемным резонатором (810) ГГц. В более коротковолновой части спектра находят применение диоды имеющие участок вольт-апмерной характеристики с отрицательным сопротивлением (туннельные диоды, лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна). Кратковременная нестабильность частоты 10 при использовании коаксиальных или объемных резонаторов из латуни. Для сферических ферритовых объемных резонаторов из ферромагнитного кристалла железоиттриевого граната (ЖИГ-резонатор), кратковременная нестабильность частоты 10.

За счет изменения напряженности внешнего магнитного поля ЖИГ-резонаторы можно перестраивать по частоте (кп2) , а также осуществлять ЧМ – модуляцию.

Генераторы СВЧ должны обеспечивать работу с различными видами модуляции и отвечать повышенным требованиям по экранированию СВЧ излучения.

4. Генераторы импульсов

Генераторы импульсов применяются при настройке систем передачи с импульсно-кодовой модуляцией, систем радиолокации и т.д. Различают следующие формы импульсных сигналов:

1. прямоугольные, парные прямоугольные, серии кодовых импульсных последовательностей, псевдослучайные последовательности (ПСП).

2. пилообразные

3. треугольные

4. колоколообразные

5. косинусквадратные

6. экспоненциальные

7. специальной формы

Наибольшее распространение получили генераторы прямоугольных импульсов. Основными параметрами импульсов являются: длительность, амплитуда, частота следования, длительность фронта и среза.

Рисунок Параметры прямоугольного импульса

На рисунке обозначены:

ТИМП - длительность импульса

Um- амплитуда импульса

в - длительность вершины

фронта и среза - длительность переднего и заднего фронта импульса соответственно.

Импульс считается прямоугольным, если выполняется условие .

Генераторы общего применения формируют импульсы со следующими параметрами:

- длительность (от 1 до 10 ) сек.

- частота следования ( от 1 до 50) Гц

- амплитуда до 200 В.

- погрешность установки частоты, длительности, временных задержек (1 5 )%.

- нестабильность параметров за 1 час работы ( 0,53 )%.

Как правило, генераторы импульсов работают в режимах: разового пуска (формирование однократного импульса), внешнего запуска и автогенерации. Для измерения амплитуды применяют пиковые вольтметры.

Рисунок 10. Обобщенная структурная схема импульсного генератора

На схеме обозначены:

ЗГ – задающий генератор

БС – блок синхронизации

БЗИ – блок задержки основного импульса

БФД – блок формирования длительности

ФВ – выходной формирователь (импульсный усилитель)

ИВ – импульсный (пиковый) вольтметр

Литература

НИУ БелГУ, Каф. информационно-телекоммуникационных систем и технологий ; сост.: Е.П. Пеньков, В.Е. Пеньков ; рец.: Г.А. Травин, И.А. Сидоренко: Схемотехника для бакалавров. - Белгород: ПОЛИТЕРРА, 2012

НИУ БелГУ, Каф. информационно-телекоммуникационных систем и технологий ; авт.-сост.: Е.П. Пеньков, В.Е. Пеньков ; рец.: Г.А. Травин, В.П. Коновалов: Основы схемотехники. - Белгород: НИУ БелГУ, 2011

Ромаш Э.М.: Электронные устройства информационных систем и автоматики. - М.: Дашков и К, 2011

Медведев А.М.: Сборка и монтаж электронных устройств. - М.: Техносфера, 2007

Горошков Б.И.: Электронная техника. - М.: Академия, 2005

Гусев В.Г.: Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2005

Уваров А.С.: P-CAD. Проектирование и конструирование электронных устройств. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004

Генераторы измерительных сигналов