ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Назначение и классификация измерительных генераторов
Измерительный генератор (ИГ) представляет собой источник электрических сигналов определенной формы, параметры которых (частота, напряжение, мощность) могут регулироваться и поддерживаться с требуемой точностью.
В измерительных технологиях ИГ используются для имитации рабочих сигналов, как вспомогательное устройство в процессе измерений, а также для питания измерительных цепей, при настройке и испытаниях измерительной, радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры, устройств автоматики и др.
Классификация измерительных генераторов.
По форме выходного сигнала:
- источники постоянного напряжения
- генераторы переменных периодических напряжений
- гармонических
- импульсных (релаксационных) колебаний прямоугольной, треугольной, пилообразной формы и т.п.
- генераторы сигналов специальной формы
- амплитудно-, частотно-, фазомодулированных сигналов
- тестовых двоичных последовательностей
- генераторы шума;
По частотному диапазону генераторы делятся на:
- инфракрасночастотные (0,01 - 20 Гц)
- низкочастотные (НЧ 20 Гц – 300 кГц)
- высокочастотные (ВЧ 0,3 – 300 МГц)
- сверхвысокочастотные (СВЧ, свыше 300 МГц)
Основными нормируемыми метрологическими характеристиками измерительных генераторов являются
- диапазон частот вырабатываемого сигнала
- диапазон уровней сигнала
- пределы искажения формы сигнала
- нестабильность частоты
- погрешность установки частоты
- погрешность установки выходного напряжения
и многие другие.
Наиболее часто в процессе измерений используются генераторы гармонических колебаний или импульсных сигналов прямоугольной формы. Гармонический сигнал является универсальным с точки зрения процедуры измерения, поскольку рабочие сигналы любой сложной формы включают в себя набор гармонических составляющих. Двоичные импульсные сигналы используются в процессе измерений параметров цифровых систем.
Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического решения генераторы гармонических и импульсных сигналов включают в себя
- задающий генератор (нелинейный усилитель с положительной обратной связью)
- источник питания
- устройства, обеспечивающие развязку с нагрузкой
- устройства, обеспечивающие заданную мощность и выходное сопротивление.
Рассмотрим принципы построения функциональной схемы измерительных генераторов.
Генераторы гармонических колебаний
Измерительные генераторы гармонических колебаний выполняются в двух видах:
- генераторы сигналов ГС
- генераторы стандартных сигналов ГСС.
ГСС имеют более высокие показатели стабильности частоты и формы, но меньший диапазон уровней сигнала, маркируются Г4-....
Генераторы сигналов ГС маркируются Г3-....
Основные требования к генераторам синусоидальных колебаний:
- получение сигнала заданной формы с минимальными нелинейными искажениями (нелинейные искажения вызваны наличием в схеме нелинейных элементов и проявляются в виде дополнительных высших гармоник, уровень которых не должен превышать допустимый процент от уровня всего сигнала);
- получение необходимой частоты колебаний в заданном пределе (возможна непрерывная плавная регулировка частоты или использование фиксированных частот);
- получение необходимого уровня выходного напряжения в заданных пределах (при плавной или фиксированной регулировке);
- получение необходимого стандартного значения выходного сопротивления;
- точность установки параметров
- стабильность параметров во времени.
Построение функциональной схемы измерительных генераторов во много определяется основными требованиями к генераторам. Обобщенные функциональные схемы ИГ гармонических колебаний представлены на рисунке 5.4.1
Рисунок 5.4.1 Обобщенные функциональные схемы измерительных генераторов:
а - генератор сигналов, б – генератор стандартных сигналов.
Основным узлом ИГ является задающий генератор. ЗГ вырабатывает напряжение синусоидальной формы требуемой частоты. В зависимости от схемы задающего генератора различаю генераторы следующих типов:
- RC-генераторы
- Генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты
- Генераторы на биениях.
Принцип действия задающих генераторов рассматривается в специальных дисциплинах. Частота колебаний, стабильность частоты и точность ее установки определяется типом и параметрами ЗГ. Наилучшие метрологические характеристики обеспечиваются генераторами с кварцевой стабилизацией частоты, относительная погрешность установки частоты в этих генераторах составляет 10-6 ÷ 10-7, нестабильность частоты 310-7 ÷ 310-9, коэффициент гармоник 1-2%
Буферный элемент обеспечивает развязку ЗГ с нагрузкой, то есть исключает влияние нагрузки на режим работы задающего генератора и его параметры.
Усилитель мощности обеспечивает получение опорной мощности (уровня) сигнала на выходе генератора. Здесь же осуществляется плавная регулировка опорного уровня выходного напряжения. Диапазон данной регулировки невелик, поскольку допустим только в пределах линейной части вольт-амперной характеристики усилителя. Это ограничение важно с точки зрения выполнения другого требования к измерительным генераторам – обеспечение минимальных нелинейных искажений.
Ряд измерительных генераторов имеют индикатор напряжения выходного напряжения, который позволяет контролировать плавную регулировку уровня, а также иногда используется в процессе градуировки генератора.
Аттенюатор (магазин затуханий) позволяет ослабить опорное выходное напряжение относительно номинального. Такая регулировка уровня (напряжения) является ступенчатой и позволяет расширить диапазон регулировки уровня выходного сигнала поскольку одной плавной регулировки порой недостаточно.
Аттенюатор должен быть калиброванным, то есть вносимое затухание задается с определенной степенью точности. Аттенюатор обычно градуируется в логарифмических единицах, например, -10дБ, -20дБ, -40дБ и.т.д.
Для передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку должно быть выполнено условие согласования сопротивлений измерительного генератора и нагрузки. Данное требование выполняется согласующим трансформатором.
Генераторы стандартных сигналов ГСС являются маломощными с низким уровнем выходного напряжения (до 1В), они обычно применяются при испытании и настройке узлов радиоаппаратуры. Основные требования, предъявляемые к ним – высокая стабильность частоты, уровня, минимальные нелинейные искажения.
В генераторах стандартных сигналов предусматривается возможность получения амплитудномодулированного сигнала за счет использования внутреннего или внешнего источника модуляции (рисунок 5.4.1).
Существенное уменьшение погрешности и улучшение других метрологических характеристик достигается в измерительных генераторах, в которых задающий генератор выполнен на базе синтезатора частоты. Принцип работы синтезатора частоты основан на многократном преобразовании опорной частоты f0, получаемой от генератора с кварцевой стабилизацией, в сетку дискретных выходных частот fвых. Таким образом, обеспечивается получение сигналов с высокой стабильностью частоты в диапазоне от единиц герц до десятков мегагерц с шагом дискретности установки частоты 0,1…0,01 Гц. Диапазон частоты выходных сигналов синтезаторов частоты 20 Гц…50 МГц; погрешность установки опорной частоты 1*10-8.
Генераторы сигналов низких частот являются источниками электрических колебаний синусоидальной формы в диапазоне частот от 20 Гц до 300 кГц. Имеется тенденция к расширению этого диапазона вниз до единиц герц и вверх до единиц мегагерц.