Низкочастотные измерительные генераторы синусоидальных колебаний

Низкочастотные измерительные генераторы (звуковой и ультразвуковой частот) вырабатывают синусоидальные колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц - 200 кГц), амплитудой (от долей милливольта до 150 В) при нескольких фиксированных значениях сопротивления нагрузки. Максимальная мощность - от 1 мВт до 10 Вт.

Степень нелинейных искажений гармонического выходного сигнала характеризуется коэффициентом гармоники, равным отношению среднеквадратичного напряжения суммы всех гармоник сигнала , кроме первой, к среднеквадратичному напряжению  первой (основной) гармоники:

                               (3.1)

Обычно значение (3.1) выражают в процентах. Коэффициент  зависит от значений частоты и выходной мощности сигнала.
Диапазон генерируемых частот характеризуется коэффициентом перекрытия , равным отношению максимальной генерируемой частоты к минимальной :

                                                                     (3.2)

Расширение диапазона генерируемых частот возможно за счет применения частичных поддиапазонов.

Стабильность частоты генератора определяется отношением абсолютного изменения частоты к начальной частоте при определенных условиях:

                                                             (3.3)

где - частота генератора, измененная внешними условиями.

Точность установки частоты определяется качеством шкальных устройств и механизмов органов настройки.

Значение абсолютной погрешности установки частоты для генераторов низких частот обычно выражается в виде

                                             (3.4)

где  - относительная погрешность; n - минимальное значение абсолютной погрешности установки частоты, Гц.

Измерительные генераторы имеют малое выходное сопротивление, значение которого можно регулировать для согласования с сопротивлением внешней нагрузки. В них регулировка в широких пределах частоты и напряжения (мощности) выходного сигнала.

Измерительный генератор состоит из задающего генератора, выходного усилителя, выходного устройства (аттенюатора, согласующего трансформатору электронного вольтметра) (рис. 3.1).

Задающий генератор (возбудитель) создает стабильные по частоте и амплитуде синусоидальные колебания в требуемом диапазоне частот. Он во многом определяет характеристики измерительного генератора (форму или периодичность выходного сигнала).

В зависимости от схемного решения задающего генератора измерительные генераторы делят на LC-генераторы, генераторы на биениях и RC-генераторы.

Выходной усилитель обеспечивает развязку задающего генератора от нагрузки, усиливает напряжение (мощность) генерируемых колебаний (повышает энергетический уровень сигналов) на заданной нагрузке, т. е. согласует выход задающего генератора с выходным устройством измерительного генератора.

Рисунок 3.1 – Схема измерительного генератора низкой частоты

В состав выходного устройства входят аттенюатор, согласующий трансформатор, электронный вольтметр. Аттенюатор и электронный вольтметр служат для регулировки и контроля уровня выходного напряжения (мощности), подводимого к нагрузке. Согласующий трансформатор предназначен для согласования (уравнивания) выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки, что обеспечит получение максимальной выходной мощности и минимальных нелинейных искажении.

LC - генераторы. В LC - генераторах частота генерируемых колебаний f определяется емкостью Си индуктивностью Lколебательного контура задающего генератора, работающего в режиме самовозбуждения:

                                       (3.5)

Основные недостатки LC - генераторов - громоздкость колебательного контура и сложность его перестройки. Для создания измерительного генератора с регулируемой частотой от 20 Гц до 20 кГц, т. е. при коэффициенте перекрытия , равном , требуются большие емкости и индуктивности. LC - генераторы широкого распространения не получили и изготовляются на узкий диапазон частот либо на одну или несколько фиксированных частот.

Генераторы на биениях. Задающий генератор составлен из двух высокочастотных, близких по частоте маломощных генераторов LC - типа, смесителя и фильтра низких частот (рис. 3.2). Генератор фиксированной частоты генерирует колебания фиксированной частоты , частота генератора регулируемой частоты плавно регулируется в некоторых пределах. Напряжения этих частот через буферные каскады (катодные или эмиттерные повторители) поступают на смеситель. В результате взаимодействия колебаний с частотами и на выходе смесителя образуются колебания серии комбинационных частот  (mиn— целые числа) и частоты f, равной разности частот .Фильтр низких частот задерживает высшие частоты и выделяет разностную частоту, т.е. частоту биений f, напряжение которой усиливается в усилителе низких частот и через аттенюатор подается на выход. До аттенюатора включен вольтметр выходного напряжения.

Значения частот и  выбирают такими, чтобы разностная частота f лежала в диапазоне низких частот (например, ). Недостатки генераторов на биениях - сложность схемы и относительная нестабильность низкой частоты. Однако эти генераторы применяют в измерительной технике, поскольку выходное напряжение не зависит от частоты и весь диапазон выходных частот плавно меняется с изменением емкости переменного конденсатора в колебательном контуре генератора регулируемой частоты.

Рисунок 3.2 – Схема генератора на биениях

Примером генератора на биениях служат генераторы ГЗ-18, ГЗ-104.

RC – генераторы. Наиболее распространенными измерительными генераторами низкой частоты являются RC - генераторы, выполненные по схеме, изображенной на рис. 3.3 и характеризующиеся простотой схемы и хорошими характеристиками. Задающий RC - генератор представляет собой двухкаскадный усилитель с RC положительной частотно-зависимой связью (рис. 3.3).

Положительная обратная связь создается фазирующим делителем, образованным резисторами и конденсаторами ,  и , _, предназначенными для обеспечения условий самовозбуждения лишь на одной частоте.

Условие генерации напряжения синусоидальной формы запишется в виде

или                         (3.6)

где - комплексный коэффициент передачи усилителя; - комплексный коэффициент обратной связи.

Из последнего уравнения следует:

условие баланса амплитуд ;

условие баланса фаз , где n = 1, 2, ... .

Так как RC - генератор обычно строится по схеме двухкаскадного усилителя на резисторах, для которого (К - величина вещественная), то для выполнения условия баланса фаз угол должен быть равен нулю (коэффициент должен быть вещественным).

Из рисунка 3.3 видно, что .После подстановки в это выражение значений и с учетом, что  и , получим . Коэффициент веществен, т.е. , если его мнимая часть равна нулю, т. е. . Из этого выражения можно определить частоту самовозбуждения:

                     .                                   (3.7)

На данной частоте .

Изменение частоты, при которой имеет место баланс фаз, достигается изменением сопротивления R и емкости С.

Рисунок 3.3 – Схема RC-генератора

Условие баланса амплитуд выполняется при . Генератор с малым коэффициентом работает нестабильно. Чтобы сохранить стабильность во всем рабочем диапазоне генерирования, применяют усилители с большим коэффициентом вводят дополнительную отрицательную обратную связь, которая регулируется автоматически и позволяет уменьшить коэффициент усиления до  и обеспечить работу усилителя в пределах линейного режима.

Цепь отрицательной обратной связи представляет собой делитель напряжения, образуемый из инерционного нелинейного резистора с отрицательным температурным коэффициентом (термистора) и резистора с которого снимается напряжение отрицательной обратной связи. Отрицательная частотно-независимая связь стабилизирует работу генератора во всём диапазоне генерируемых частот и автоматически поддерживает уровень выходного напряжения задающего генератора неизменным. Например, при увеличении выходного напряжения увеличивается ток в цепи отрицательной обратной связи, что приводит к уменьшению сопротивления термистора, т. е. к увеличению коэффициента обратной связи и приближению выходного напряжения к номинальному значению. Частоту генератора регулируют изменением сопротивлений резисторов  и емкостей конденсаторов  фазирующей цепи. Ступенчатое изменение значений сопротивления позволяет весь диапазон частот разбивать на несколько поддиапазонов. Плавная установка частоты внутри поддиапазонов достигается изменением емкости Сконденсаторов.

Рисунок 3.4 – Схема выходного устройства генератора

Выходной усилитель предназначается для создания необходимой мощности на нагрузкево всем диапазоне генерируемых частот. Напряжение на выходе усилителя изменяется от нуля до максимума с помощью резистора, включенного на его входе. Усилитель состоит из каскадов усиления напряжениями усиления мощности. Первый каскад представляет собой фазоинвертор, превращающий однотактное входное напряжение в двухтактное; второй каскад - усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме с глубокой отрицательной обратной связью, нагрузкой которого является выходное устройство (рис. 3.4). Напряжение на выходе усилителя измеряется вольтметром.

Выходное устройство состоит из градуированного аттенюатора и согласующего трансформатора СТри вольтметра.

Аттенюатор (ослабитель) представляет собой резистивный делитель напряжения и состоит из последовательно соединенных Т- и П- образных звеньев, которые при коммутации обеспечивают ослабление сигнала N ступенями, т.е. , где , - входное и выходное напряжения аттенюатора; N - ослабление сигнала, дБ.

Особенность аттенюатора в том, что значения входного  и выходного  сопротивлений мало зависят от установленного значения затухания. Калибровка аттенюатора производится при условии работы на согласованную нагрузку; это выгодно также тем что на нагрузке выделяется максимально возможная выходная мощность. Поэтому вторичная обмотка согласующего трансформатора СТрвыполняется секционированной, число ее витков изменяют таким образом, чтобы приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки было равно сопротивлению  первичной обмотки трансформатора СТри было одинаково для всех указанных (на лицевой панели измерительного генератора) значений нагрузки, т. е.

                                                 (3.8)

где  - коэффициент трансформации трансформатора СТр; и  - соответственно число витков первичной и каждой секции вторичной обмоток.

Для выполнения условия согласования при различных значениях сопротивления нагрузки  коэффициент трансформации ,а число витков .

Переключение выхода генератора на различные нагрузки производится переключателем .В положении аТТпереключателя  к выходным зажимам подключается непосредственно выход аттенюатора. Аттенюатор обычно рассчитывается на активную нагрузку 600 Ом, поэтому коэффициент трансформации n соответственно для различных значений сопротивлений нагрузки равен:

для       

для      

для   

При высокоомной внешней нагрузке, превышающей наибольшее значение, указанное на лицевой панели измерительного трансформатора, условия согласования выполняются только при включенной к зажимам аттенюатора внутренней нагрузке ,равной
600 Ом, когда согласующий трансформатор СТротключается и напряжение на нагрузку подается непосредственно с точек аи b аттенюатора (переключатель находится в положении  - включено).

При работе на несимметричную нагрузку один из выходных зажимов (1или 2)согласующего трансформатора СТрсоединяют с заземленным зажимом 4.

Вторичная обмотка согласующего трансформатора имеет вывод 3от средней точки, чтопозволяет еще в два раза уменьшить значение выходного сопротивления, а также получить одновременно два напряжения, равных по значению, но противоположных по фазе.

Вольтметр подключается к входу аттенюатора и служит для контроля выходного напряжения генератора. Он представляет собой сочетание мостовой схемы с двумя полупроводниковыми диодами и магнитоэлектрического измерительного механизма. Шкала вольтметра отградуирована в действующих значениях синусоидального сигнала - в вольтах. Вольтметр имеет также шкалу, отградуированную в децибелах. Ослабление в децибелах отсчитывается относительно уровня 0,775 В.

По схеме RC - генераторов выполнены источники синусоидального напряжения низкой частоты марок ГЗ-33; ГЗ-34; ГЗ-102.

Импульсные генераторы

Импульсные генераторы вырабатывают одиночные или периодические импульсы прямоугольной формы различной полярности, амплитуды, длительности, частоты следования.

Генераторы могут выдавать импульсы с регулируемыми параметрами; несвязанными выходами и независимой регулировкой параметров; опорный и задержанный на определенное время по отношению к опорному. Наиболее широко используют генераторы прямоугольных импульсов, вырабатывающие импульсы обеих полярностей со ступенчатой и плавной регулировкой длительности, плавной регулировкой амплитуды и частоты следования. Амплитуда генерируемых импульсов меняется от нескольких милливольт до 150 - 200 В, длительностью от нескольких наносекунд до единиц секунд и частотой следования от нескольких герц до мегагерц.

Принцип действия генератора поясняется схемой, представленной на рис. 3.5. Задающий генератор выдает тактовые импульсы, поступающие на схему внешнего и разового запуска. Работая в автоколебательном режиме, задающий генератор обеспечивает плавноступенчатую регулировку частоты повторения импульсов. В режиме внешнего запуска и разового пуска прибора задающий генератор отключается от схемы внешнего и разового запуска. Сформированный по длительности и амплитуде сигнал со схем внешнего запуска поступает на схему задержки основного импульса и на схему формирования импульсов синхронизации.

Рисунок 3.5 – Схема импульсного генератора

Схема формирования импульсов синхронизации выдает синхроимпульсы обеих полярностей. Через коммутирующий элемент синхроимпульсы поступают на выходное гнездо прибора. Схема задержки основного импульса выдает импульс с регулируемым временным сдвигом, а также обеспечивает pежим нулевого временного сдвига основного импульса относительно импульса синхронизации прибора. Импульс с выхода схемы задержки основного импульса запускает схему формирования длительности основных импульсов, которая выдает стартовый и стоповый импульсы с регулируемым временным сдвигом между ними. Поступая на схему выходного формирования и регулировки амплитуды, стартовый импульс определяет начало (фронт) выходного основного импульса, а стоповый - его конец (срез). Со схемы формирования длительности основных импульсов на схему выходного формирователя поступает также импульс срыва, совпадающий во времени со стоповым импульсом и обеспечивающий быстрое восстановление схемы выходного формирователя в исходное состояние. Схема выходного формирователя и регулировки амплитуды обеспечивает формирование прямоугольных импульсов с максимальной амплитудой, определенной длительностью, частотой повторения на согласованной внешней нагрузке. Выходной импульс может плавно-ступенчато регулироваться по амплитуде от до . Через коммутационный элемент выходной импульс со схемы выходного формирователя поступает или на выходное гнездо 1:1, или на делители, дополнительно ослабляющие амплитуды импульсов в 10 и 100 раз.

Измерение амплитуды выходных импульсов в пределах плавной регулировки осуществляется с помощью схемы измерителя амплитуды в качестве индикатора, в которой используется вольтметр.

Схема питания обеспечивает приборы постоянными стабилизированными напряжениями и регулируемым напряжением.

По данной схеме выполнен импульсный генератор Г5-54, вырабатывающий прямоугольные импульсы с максимальной амплитудой В, длительностью 0,1-1000 мкс; длительностью фронта и среза соответственно 50 нс и 100 нс; частотой повторения 0,01 - 100 кГц на внешней нагрузке 500 Ом с параллельной емкостью.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ