Аналоговые электромеханические приборы

В аналоговых электромеханических измерительных приборах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной. Несмотря на повсеместное внедрение цифровой техники, на сегодняшний день аналоговые измерительные приборы продолжают занимать свою достаточно широкую нишу. В частности, это связано с тем, что в отдельных условиях аналоговые измерительные приборы имеют преимущества перед цифровыми [15]. Например, комплексные измерительные задачи, предполагающие обработку измерений по сложным алгоритмам с меньшими затратами решаются при помощи цифровых измерительных приборов. В то же время, менее сложные измерительные задачи целесообразно решать с использованием именно аналоговых измерительных приборов.

Электромеханические измерительные приборы строят по обобщенной структурной схеме, показанной на рис. 3.1 [16].

Рис. 3.1

Измерительная схема обеспечивает преобразование измеряемой электрической величины x в некоторую промежуточную электрическую величину y
(ток или напряжение). Величина y непосредственно взаимодействует на измерительный механизм.

Измерительный механизм (ИМ) является основной частью конструкции прибора. Он преобразует электрическую величину y в механическое перемещение подвижной части относительно неподвижной на угол отклонения . Подвижная часть ИМ – это механическая система с одной степенью свободы относительно оси вращения. Перемещение подвижной части отражается на шкале отсчетного механизма, который проградуирован в единицах измеряемой величины.

Поворот подвижной части ИМ осуществляется под действием момента, зависящего от входной электрической величины x. Этот момент называется вращающим.

Вращающий момент должен однозначно определятся измеряемой величиной x и зависеть от угла поворота подвижной части :

При повороте подвижной части ИМ на угол  изменение механической энергии  равно изменению энергии электромагнитного поля  в ИМ, т. е. . При перемещении подвижной части ИМ изменение механической энергии равно

Отсюда момент вращения равен

Чтобы подвижная часть не доходила до упора при любом (даже самом малом) значении измеряемой величины x, а поворачивалась на угол , на подвижную часть должен действовать момент, направленный навстречу вращающему моменту. Этот момент называется противодействующим:

,

где G – удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и его геометрических размеров). Противодействующий момент должен зависеть от угла поворота подвижной части (п4). При некотором значении угла поворота возникает равенство:

 или .

Для того, чтобы подвижная часть заняла устойчивое положение, соответствующее измеряемой величине x=const, необходим момент успокоения, т. е. момент сил сопротивления движению:

,

где P – коэффициент успокоения (демпфирования); t – время.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу ИМ, имеет вид

,

где J – момент инерции подвижной части ИМ;  – угловое ускорение;
 – число действующих моментов на ПЧ. Это означает, что момент количества движения равен сумме моментов, действующих на подвижную ось. В нашем случае число действующих моментов равно трем, поэтому дифференциальное уравнение примет вид

 или .

Основные требования, предъявляемые к аналоговым измерительным приборам устанавливает ГОСТ 30012.1-2002 «Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним» [17]. Наиболее употребляемые обозначения для маркировки приборов и их вспомогательных частей приведены на рис. 3.2. На данном рисунке: 1 – магнитоэлектрический прибор с подвижной катушкой; 2 – электромагнитный прибор; 3 – электродинамический прибор без железного сердечника; 4 – электростатический прибор; 5 – магнитоэлектрический логометр; 6 – электромагнитный логометр;
7 – электродинамический логометр; 8 – выпрямитель; 9 – магнитный экран;
10 – электрический экран; 11 – индукционный прибор; 12 – электродинамический прибор с железным сердечником; 13 – прибор для использования с вертикальным циферблатом; 14 – прибор для использования с горизонтальным циферблатом; 15 – цепь постоянного тока и (или) измерительный элемент, реагирующий на постоянный ток; 16 – цепь постоянного тока и (или) переменного тока и (или) измерительный элемент, реагирующий на постоянный и

Рис. 3.2

переменный ток; 17 – цепь переменного тока и (или) измерительный элемент, реагирующий на переменный ток; 18 – обозначение класса точности (напри-
мер 1,5), когда нормирующее значение соответствует интервалу измерения;
19 – обозначение класса точности, когда нормирующее значение соответствует длине шкалы; 20 – обозначение класса точности, когда нормирующее значение соответствует показываемому значению; 21 – обозначение класса точности, кроме тех случаев, когда нормирующее значение соответствует длине шкалы или показываемому значению, или интервалу измерения.

Рассмотренные обозначения указываются на циферблате прибора, либо на тех его частях, которые видны пользователю при эксплуатации. Кроме этого на циферблате аналогового измерительного прибора указывается единица измеряемой величины, серийный номер и год изготовления. Как правило, на циферблате прибора имеется информация о номинальных значениях влияющих величин (например, для вольтметра может быть указан диапазон частоты входного сигнала).

В настоящее время находят применение в основном шесть типов измерительных механизмов, отличающихся способом создания вращающего момента: магнитоэлектрический, электромагнитный, электродинамический, ферродинамический, электростатический, индукционный.

Измерительные генераторы

Измерительные генераторы (ИГ) – это источники стабильных испытательных сигналов с известными параметрами (частотой, напряжением и формой
и т. д.). Они применяются для исследований и испытаний радиоэлектронной аппаратуры. ИГ сигналов обладают возможностью точной установки и регулировки вы­ходных параметров колебаний (частоты, формы и уровня напряжения или мощности) в широких диапазонах. Параметры ИГ имеют высокую стабильность. Как правило, измерительные генераторы оснащаются встроенными измерительными приборами, которые позволяют контролировать уста­новки сигналов. Многие ИГ имеют возможность дистанционного управления ими через канал общего пользования.

В зависимости от формы выходных сигналов различают ИГ гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний.

По частотному диапазону генераторы делятся: на инфранизкочастотные (0,01...20 Гц), низкочастотные (20...300 000 Гц), генераторы высоких частот (0,3...300 МГц), сверхвысокочас­тотные (СВЧ, свыше 300 МГц). Особую группу представляют генераторы слу­чайных колебаний (сигналов) – измерительные генераторы шумовых сигналов. В настоящее время также широко применяются генераторы псевдослучайных и линейно-изменяющихся напряжений, которые относятся к релаксационным генераторам.

Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического вы­полнения генератор любых перечисленных колебаний (кроме параметриче­ских схем генерации) состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи и источника питания постоянного тока.

Генератор гармонических колебаний должен содержать в своем составе узкополосную колебательную систему. Принцип действия релаксационных генераторов основан на зарядно-разрядных или накопительно-поглощающих явлениях, протекающих в широкополосных энергоемких цепях положительной обратной связи [3].

Генераторы гармонических колебаний. Генератор гармонических колебаний должен содержать в своем составе узкополосную колебательную систему. Принцип действия релаксационных генераторов основан на зарядно-разрядных или накопительно-поглощающих явлениях, протекающих в широкополосных энергоемких цепях положительной обратной связи [3].

Рассмотрим основные характеристики низкочастотных ИГ:

1. Коэффициент нелинейных искажений:

,

где  – действующее значение напряжения -й гармоники.

2. Коэффициентом гармоник:

.

3. Коэффициент перекрытия:

4. Стабильность частоты:

,

где  – номинальное значение частоты генератора;  – частота генератора, измененная внешними условиями.

Абсолютная погрешность установки частоты для генераторов низких частот определяется выражением

,

где  – относительная погрешность:  – минимальное значение абсолютной погрешности установки частоты, Гц.

Низкочастотные ИГ имеют малое выходное сопротивление, значение которого можно регулировать для согласования с сопротивлением внешней нагрузки.

На рис. 3.3 показана структурная схема ИГ низких частот, которая состоит из задающего генератора (ЗГ), выходного усилителя (ВУ), аттенюатора, электронного вольтметра (V), согласованного трансформатора (СТ).

Рис. 3.3

Задающий генератор является первичным источником стабильных по частоте и амплитуде синусоидальных колебаний в требуемом диапазоне частот. В зависимости от используемой схемы задающие генераторы делятся на несколько типов. В настоящее время наиболее часто используются LC-генераторы, RC-генераторы и генераторы в биениях.

Рассмотрим технические характеристики и возможности генератора сигналов низкочастотного Г3-56/1 [10]. Диапазон частот данного генератора составляет 20…200 000 Гц. Основная погрешность по частоте не превышает  в диапазоне частот 200 Гц – 20 кГц и  в диапазоне 20–200 Гц и 20–200 кГц, где  – номинальное значение частоты, установленное по шкале генератора. Изменение частоты за любые 3 часа работы после самопрогрева генератора в течении 30 минут, не превышает  Гц.
Выходное напряжение изменяется плавно на несимметричном и симметричном выходах, в пределах не менее 20 дБ. Коэффициент гармоник генератора на несимметричном выходе на нагрузке 600 Ом не превышает 0,5% при выходной мощности 4 Вт в диапазоне частот свыше 200 Гц до 20 кГц. Структурная схема генератора Г3-56/1 показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4

Задающий генератор собран по RC-схеме на трех лампах с использованием положительной и отрицательной обратной связи (рис. 3.5).

Рис. 3.5

Положительная обратная связь является частотнозависимой. Это необходимо для выполнения условия самовозбуждения только на одной резонансной частоте , определяемой параметрами схемы.

Частота настройки RC-схемы определяется выражением

,

где R₁, R₂, C₁, C₂ – сопротивления и емкости фазирующей цепи (  – цепи)
(см. рис. 3.5).

Цепь положительной обратной связи ( -цепь) создает наименьшее затухание на частоте баланса RC-цепи и нулевой сдвиг фаз между входным и выходном напряжениями задающего генератора.

Высокочастотные генераторы. Для генераторов высоких частот характерны работа в широких диапазонах частот и раз­нообразие видов модуляции и манипуляции выходных сигналов. Эти приборы применяют для регулировки, настройки, испытаний и исследования аппаратуры в радиовещании, телевидении, радиосвязи, радиотелеметрии, радиолока­ции, радионавигации, гидроакустики и других областях техники. Структурная схема генераторов высоких частот показана на рис. 3.6. Рассмотрим технические данные и возможности генератора сигналов Г4-129. Данный прибор обеспечивает следующие режимы работы [18]:

– немодулированные колебания;

– внутренняя и внешняя частотная модуляция синусоидальным сигналом;

– внутренняя и внешняя амплитудная модуляция синусоидальным сигналом;

– внутренняя амплитудно-импульсная модуляция «меандром» 1 кГц и внешняя амплитудно-импульсная модуляция;

– синхронизация частоты внешним синхронизатором в режимах немодулированных колебаний.

Рис. 3.6

Диапазон частот генератора составляет 310–1200 МГц. Основная погрешность установки частоты в режимах немодулированных колебаний, АМ, ЧМ, ИМ не более ±(0,05±1/f)%, где f – установленное значение частоты в МГц. Нестабильность частоты за любые 15 мин. Работы генератора после самопрогрева в течение 30 мин. В нормальных условиях не более ±2,5·10^-4 от несущей
частоты.

Генераторы сверхвысоких частот (СВЧ). Генераторы СВЧ предназна­чены для проверки чувствительности приемных устройств, измерения параметров четырехполюсников, а также для исследования полос пропускания трактов и приборов. Характеристики сигналов, вырабатываемых данными генераторами, определяются СВЧ задающим генератором (ЗГ). В качестве СВЧ ЗГ используют так называемые отражательные клистроны [8].

 Выход СВЧ генератора с нагрузкой соединяется при помощи коакси­альных кабелей (на частотах < 3000 МГц) или волноводов (в диапазоне сан­тиметровых и миллиметровых волн).

Структурная схема типового СВЧ генератора представлена на рис. 3.7.

Рис. 3.7

Рассмотрим принцип действия генератора сигналов Г4-78, выполняющего функции источника СВЧ сигнала, калиброванного по частоте, уровню выходной мощности и по параметрам импульсной модуляции [19]. Прибор состоит из следующих основных блоков: генератора СВЧ (блока ВЧ), модулятора, индикатора мощности и блока питания.

Генератор СВЧ является узлом прибора, определяющим его основные характеристики: диапазон частот, входную мощность, качество импульсной модуляции.

Данный генератор может работать в следующих режимах:

– режим немодулированных колебаний (непрерывной генерации);

– режим внешней частотной модуляции и синхронизации частоты;

– режим внешней амплитудно-импульсной модуляции модулирующими импульсами отрицательной полярности;

– режим внешней амплитудно-импульсной модуляции модулирующими импульсами положительной полярности;

– режим внутренней амплитудно-импульсной модуляции меандром.

Измерение сигнала в режиме непрерывной генерации осуществляется встроенным индикатором мощности. Индикатор мощности является самостоятельным блоком и позволяет контролировать выходную мощность генератора в диапазоне от -43 дБ до -22 дБ относительно 1 Вт. Диапазон частот генератора составляет 1,16–1,78 ГГц.

Импульсный режим работы генератора СВЧ осуществляется с помощью модулятора путем подачи модулирующих напряжений в цепь отражателя клистрона. Питание прибора производится от сети 220 вольт 50 Гц с содержанием гармоник до 5 %.

Прецизионные измерительные генераторы. В области магистральной связи с высоким уплотнением каналов необходимы источники измерительных сигналов в широком диапазоне частот с очень малой абсолютной погрешностью частот (0,1…0,001 Гц) и очень малой нестабильностью от 10^-7 за 15 мин. До 10^-10
за 34. Такие приборы получили название генераторов с диапазонно-кварцевой стабилизацией или синтезаторов частоты. Структурная схема прецизионного измерительного генератора показана на рис. 3.8.

Рис. 3.8

Синтезаторы частот вырабатывают набор спектрально чистых, стабильных по частоте сигналов с заданной дискретностью по частоте и в заданном диапазоне частот. Например, синтезатор частоты Ч6-31 [20] генерирует сигналы в диапазоне 50-49999999,99 Гц с шагом 0,01 Гц. Погрешность установки номинального значения частоты при выпуске прибора после 2 часов самопрогрева не более ±5·10 ^-8. Сигнал необходимой частоты на выходе синтезатора получается путем сложного преобразования частоты сигнала кварцевого генератора. В процессе преобразования частоты выполняются четыре арифметических действия: сложение, вычитание, умножение и деление.

Кварцевый генератор является основой синтезатора частот. Высокая стабильность частоты колебаний, вырабатываемых кварцевым генератором обеспечивается системой термостатирования. Эта система поддерживает температуру кварцевого резонатора с погрешностью порядка 0,1 ºС. Технические характеристики высокостабильного кварцевого генератора М32008, являющегося типичным представителем своего класса представлены в табл.3.1 [21].

Специализированные высокостабильные кварцевые генераторы позволяют обеспечить долговременную нестабильность частоты порядка ±(2…5)·10^-8 за год, не более.

Таблица 3.1

Блок опорных частот формирует несколько сигналов опорных частот, которые одновременно поступают на блок синтеза частоты. Данный блок содержит умножители и делители частоты. Блок синтеза частоты вырабатывает набор частот с заданной дискретностью и в заданном диапазоне. Интерполяционный генератор позволяет плавно перестраивать частоту выходного сигнала в пределах шага дискретности по частоте. Блок управления переключением частот позволяет выполнять как ручное, так и дистанционное управление частотой. Таким образом, синтезаторы частот создают на выходе сигнал с программируемым значением частоты.

Кроме характеристик, общих для всех измерительных генераторов, синтезаторы частот характеризуются дискретностью установки частоты, ослаблением уровня побочных составляющих и шумов в выходном сигнале относительно уровня выходного напряжения, временем установления сигналов при переключении частоты. 

Генераторы импульсных сигналов. Измерительные (генераторы импульсных сигналов) ГИС прямоугольной формы применяют при исследованиях, испытаниях, регулировке и настройке импульсных электронных систем, при снятии переходных характеристик различных устройств. ГИС также могут использоваться при испытании и настройке широкополосных усилителей, при испытании вычислительных устройств и интегральных микросхем.

ГИC выполняют функции задающих (тактирующих) генераторов в разнообразных импульсных устройствах, а также источников управляющих импульсов для коммутации возможных электронных схем и устройств.

По назначению эти генераторы делятся на четыре группы:

I – с точной ка­либровкой амплитуды;

II – с точной калибровкой длительности и временных сдвигов;

III – с точной калибровкой частоты следования;

IV – универсальные с одинаковой точностью основных параметров.

По точности они делится на семь классов: 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1; 3; 10. Выпускаемые промышленностью универсальные генераторы соответствуют классам точности 1, 3 и 10. У генераторов I, II , III групп класс точности относится к параметру, определяющему группу назначения. Осталь­ные параметры: определяются техническими требованиями или техническими условиями. Структурная схема ГИС представлена на рис. 3.9.

Рис. 3.9

На данном рисунке ЗГ – задающий генератор, являющийся первичным источником периодической последовательности импульсных сигналов. Блок синхронизации использует сигналы от ЗГ для формирования синхронизирующих импульсов, которые в свою очередь участвуют в формировании различных параметров выходного сигнала. Большинство выпускаемых промышленностью генераторов имеют выходы синхронизирующих импульсов. Блок задержки импульсов  служит для запуска формирователя длительности основного импульса с задержкой относительно момента появления импульса ЗГ. Выходной формировательвырабатывает импульсы определенной формы и длитель­ности работает в ждущем режиме и запускается импульсами ЗГ.

Выходной блокслужит для создания требуемого уровня напряжения выходного сигнала, а также для преобразования полярности импульсов и согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки. Основными сигналами импульсных генераторов являются импульсы прямоугольной формы.

Промышленностью выпускаются различные типы генераторов импульсных сигналов общего применения, вырабатывающих импульсы длительностью от нескольких наносекунд до единиц секунд с частотой следования от единиц герц до десятков мегагерц и амплитудой до 200 В [22].

Генераторы сигналов специальной формы.Генераторы сигналов специальной формы являются разновидностью импульсных генераторов. Основными сигналами импульсных генераторов являются импульсы прямоугольной, трапецеидальной, экспоненциальной форм. Кроме то­го, имеются генераторы для настройки каналов связи, предназначенных для пе­редачи дискретной информации и сигналов телевидения, вырабатывающие пи­лообразные, треугольные, колоколообразные, косинусквадратные и специальные формы импульсов.

Генераторы сигналов специальной формы используются для моделирования входных воздействий при настройке и испытаниях каналов связи, медицинской и геофизической аппаратуры.

Для создания генераторов сигналов специальной формы широко применяют схемы на основе интегратора с нелинейной обратной связью через какой-либо пороговый элемент (например, триггер Шмидта). Такие генераторы носят название функциональных генераторов. Структурная схема функционального генератора представлена на рис. 3.10. В процессе интегрирования постоянного напряжения, присутствующего на выходе триггера Шмидта, интегратор формирует линейно изменяющееся напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера, триггер переключается, его выходное напряжение меняет знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не станет равным порогу срабатвания триггера. Далее этот процесс периодически повторяется и на выходе формируется симметричное напряжение треугольной формы с одинаковым временем нарастания и спада. Частота формируемого напряжения может быть представлена в диапазоне частот от инфранизких до нескольких десятков килогерц путем изменения постоянной времени интегратора.

Рис. 3.10

На основе полученного треугольного напряжения можно сформировать напряжения трапецеидальной, колоколообразной, синусоидальной форм. Для формирования сигналов произвольной формы также используются генераторы, работающие на основе кусочно-линейного синтеза сигнала. В основе таких устройств лежит генератор линейно изменяющегося напряжения, длительностью и амплитудой которого можно управлять. Из серии элементарных сигналов, вырабатываемых таким генератором можно сформировать сигнал произвольного вида. Погрешность формирования сигнала, связанная с его кусочно-линейной аппроксимацией, определяется общим числом используемых элементарных сигналов и дискретностью установки их параметров [22].

Генераторы шумовых сигналов. Генераторы шумовых сигналов (шумовые генераторы) вырабатывают флуктуационные напряжения с определенными (заданными) вероятностными характеристиками.

Генераторы шумовых сигналов используют как источники флуктуационных помех с известными характеристи­ками при измерении пороговой чувствительности антенн, усили­тельных и радиоприемных устройств, при измерении нелинейных искажений, как имитаторы сигнала многоканальной связной аппа­ратуры и т. п.

Спектр шумовых сигналов занимает широкую полосу частот. Если этот спектр равномерен на всех частотах от 0 до ∞, то такой шум называется «белым» [23].

Математическая модель «белого» шума, описывается средней мощно­стью спектральной плотности . Корреляционная функция белого шума имеет вид

.

При  корреляционную функцию белого шума можно записать как

,

где  – дельта функция. Таким образом, корреляционная функция белого шума представляет собой дельта-функцию в начале координат. Коэффициент корреляции для белого шума определяется как

т.е. белый шум характеризуется тем, что его значения в любые два (даже сколь угодно близкие) моменты времени некоррелированны. Математическое ожидание белого шума, равно 0.

Генераторы шумовых сигналов вырабатывают флуктуационные напря­жения(случайные сигналы или помехи) с определенными вероятностными характеристиками. Их применяют в качестве имитаторов при исследовании или измерении предельной чувствительности усилителя, коэффициента шума радиоприемников, исследования помехоустойчивости различных электронных, автоматических и радиотехнических систем и т.д.

К основным метрологическим характеристикам генераторов шумовых сигналов можно отнести [24, 25]:

– неравномерность спектральной плотности мощности шума в заданной полосе частот (шум должен быть близок к «белому»);

– максимальное значение выходного напряжения (мощности);

– пределы регулировки выходного напряжения (мощности) шу­ма;

– погрешность установки выходного напряжения (мощности) шума;

– нестабильность выходного напряжения (мощности) шума (с течением времени, при изменении внешних условий и различных влияющих величин).

Типичным представителем своего класса является генератор шумовых сигналов Г2-59. Его диапазоны рабочих частот составляют (2–2·10⁴) Гц, (2–10⁵) Гц, (2–3·10⁵) Гц, (2–6·10⁵) Гц, (2–6,5·10⁶) Гц, выходное напряжение Uвых= ±3 В на частотах до 6·10⁵ Гц, выходное сопротивление Rвых=(50±5) Ом.

В некоторых случаях могут быть предъявлены определенные требования к закону распределения шумового сигнала. Для ре­шения многих измерительных задач достаточно сформировать шу­мовой сигнал, закон распределения которого близок к нормаль­ному. Формирование шумового сигнала с существенно неравномер­ным спектром производится с помощью внешних фильтров.

Обобщенная структурная схема генератора шумовых сигналов показана на рис. 3.11. Она во многом подобна схеме любого другого измерительного генератора.

Рис. 3.11

Основным узлом шумового генератора является задающий генератор (первичный источник шумового сигнала). Схемное решение задающего генератора в значительной степени определяет метрологические свойства все­го прибора. Его сигналы должны иметь равномерную спектральную плотность мощности по всей требуемой полосе частот. В задающем генераторе используются физические явления, при которых возникают доста­точно интенсивные шумы со статистическими характеристиками и параметрами, поддающимися несложному математическому анализу.

В измерительной практике общепринято под­разделять шумовые генераторы по диапазону частот и по источникам шума. По диапазону частот генераторы шумовых сигналов делятся на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Рассмотрим некоторые из источников шумовых сигналов, которые могут быть использованы в качестве задающего генератора.

Полупроводниковые шумовые диоды(лавинно-пролетные диоды, туннельные диоды).Флуктуация тока в них возникает за счет дискретности заряда носителей (электронов и дырок) и прерывности эмиссии носителей.Первая причина порождает дробовой шум, а вторая – полупроводниковый.Основным недостатком полупроводниковых шумовых диодов является значительный разброс шумовых характеристик.

Вакуумные шумовые диоды. При работе в режиме насыщениявакуумные шумовые диоды обладают шумовыми свойствами, основанными на явлении дробового эффекта – непрерыв­ного во времени вылета электронов с поверхности накаленного катода. Вакуумный шумовой диод может служить широкополосным источником шума, в диапа­зоне от нескольких сотен до 300…400 МГц.

Нагретый проволочный резистор.При нагревании до определенной температуры проволочный резистор может служить источником теплового шума, среднеквадратическое значение напряжения которого рассчитывается по формуле

,

где k_Б = 1,38 10^-23 Вт/(Гц·К) – постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; R – сопротивление резистора при Т = 290 К; ΔF – эквивалентная полоса, пропускания. Интенсивность шума, проволочного резистора с любым сопротивлением при нормальной температуре равна k_Б·T =  1,38·10^-23·290≈4·10^-21 Вт/Гц.

Газоразрядные трубки.Наполненные газом (аргон; неон, гелий при давле­нии 3...30 мм рт. ст.) стеклянные трубки при использовании разряда газа, генерируют шум в диа­пазоне СВЧ от 500 МГц до 12 ГГц.

Фотоэлектронный умножитель. Шумовое свойство фотоэлектронного умножителя обусловливается дробовым эффектом в полосе от 2÷3 Гц до 6 МГц. Напряжение шума, может составить несколько сотен вольт. Промышленностью выпуска­ется генератор шума, с видеочастотным диапазоном от 50 Гц до 6 МГц, среднеквадратичным напря­жением шума 0,75 В и выходным сопротивлением
75 Ом.

 

В последнее время в качестве источников шума широко используются генераторы псевдослучайных сигналов. Трудности, свя­занные со стабилизацией характеристик шумовых сигналов (обеспечения усло­вия стационарности), обусловливают поиск новых путей создания генераторов шумовых сигналов. Одним из таких путей является использование так называе­мых псевдослучайных сигналов, формируемых с помощью регистров сдвига, ох­ваченных логическими обратными связями. Псевдослучайные сигналы в принципе являются периодическими и регулярными, но имеют достаточно сложную струк­туру и по своим характеристикам близки к случайным. Для решения многих практических задач псевдослучайные сигналы полностью заменяют случайные. При этом они имеют чрезвычайно высокую стабильность характеристик и до­статочно просто формируются с помощью цифровых логических схем. Для конт­роля и регулировки характеристик псевдослучайных сигналов можно использо­вать специализированные вычислительные устройства на основе микропроцессо­ров.

 

 

Шумовые сигналы также можно формировать на основе цифро-аналогового преобразования слу­чайных последовательностей чисел, сформированных программным способом. Разнообразные алгоритмы формирования обеспечивают генерирование псевдослучайных последовательностей (ПСП) с заданными свойствами. Достаточно простые алгоритмы ПСП [26], реализуемые на ЭВМ с длиной слова 32 бит позволяют вырабатывать последовательности с равномерным спектром и практически независимыми отсчетами. Период формируемых последовательностей составляет 10⁶ отсчетов, что является достаточным для большинства технических приложений.

 

Анализаторы спектра

Анализаторы спектра – это приборы, предназначенные для автоматического представления спектра сигналов. Для спектрального анализа используется математически аппарат интегрального преобразования Фурье. Спектральная плотность непериодического (импульсного) сигнала определяется выраже-
нием [6]

,

где x(t) – временная форма сигнала.

 

В реальных условиях функция  измеряется в течение конечного интер­вала времени Т, поэтому измеряемый спектр определяется выражением

.

Функция  называется текущим спектром сигнала.Она имеет большое значение при разработке методики измерения.

Практически все приборы, применяемые для анализа спектра сигналов, можно условно разделить на аналоговые и цифровые. Несмотря на многие достоинства и возможности цифровых анализаторов, аналоговые анализато­ры до сих пор применяются очень широко (особенно в верхней части высокочастотного и СВЧ диапазонов). Многие современные аналоговые анализаторы спек­тров содержат в своей структуре цифровые устройства.

Практически во всех аналоговых анализаторах выделение гармонических составляющих сигнала производится узкополосными фильтрами. Этот метод реализуется двумя способами: параллельного и последовательного анализа сигнала. Основной элемент таких приборов – полосовой фильтр (высоко­добротный резонатор) с узкой полосой пропускания. Он служит для выделения отдельных составляющих или узких диапазонов исследуемого спектра.

В анализаторах спектра последовательного анализа сигнала используются узкополосные перестраиваемые фильтры, либо гетеродины.

Рассмотрим принцип работы анализатора последовательного действия на основе перестраиваемого фильтра. Структурная схема последовательного анализатора с перестраиваемым фильтром приведена на рис. 3.12.

Рис. 3.12

 

В качестве перестраивающихся фильтров ис­пользуются двойные
Т-образные RС-мосты, включенные в цепь отрицательной обратной связи усилителя. Перестройка центральной частоты f фильтра осуществляется плавным изменением емкости конденсаторов и сопротивлений резисторов. На выходе фильтра получа­ются составляющие спектра (f-Δf)...(f+Δf), которые по мере изменения резо­нансной частоты f фильтра будут проходить рабочий диапазон изменения спектра. В результате детектирования в квадратичном детекторе выходное на­пряжение перестраивающегося фильтра преобразуется в видеоимпульс, на­пряжение которого пропорционально средней мощности Р_Δ соответствующего участка спектра в полосе 2Δf. Значение 2Δfопределяется разрешающей способностью анализатора, равной минимальному расстоянию по оси частот между составляющими частот. Такие анализаторы в основном используются для анализа спектра сигналов низких частот.

 

Наиболее широкое распространение получили гетеродинные анализаторы. Гетеродинные анализаторы отличаются тщательно отградуированной шкалой гетеродина, обеспечивающей заданную погрешность определения частоты из­меряемой гармоники, обычно ±10^-6...10^-3. Структурная схема гетеродинного анализатора показана на рис. 3.13.

 

 

Рис. 3.13

 

На данной схеме ВУ – входное устройство; СМ – смеситель; Г – пере­страивающийся гетеродин; УПЧ – усилитель промежуточных частот; КД – квадратичный детектор.

Принцип работы таких анализаторов заключается в следующем. Пусть гете­родин имеет диапазон рабочих частот от до . Резонатор и УПЧ настроены на частоту f_ПР и необходимо опреде­лить спектральную мощность выходного сигнала на частотах гармонических составляющих:

f₁, f₂, …, f_v, …, f_n.

По мере перестройки частоты гетеродина разность между его текущей час­тотой и частотой v-й составляющей спектра будет рано f_ПР±Δf. При этом получается следующее соотношение частот гетеродина и v-й гармоники:

f_ПР-Δf < f_г -f_v < f_ПР+Δf.

После квадратичного детектора сигнал преобразуется в видеоимпульс, на­пряжение которого пропорционально средней мощности Р_Δ соответствующего участка спектра в полосе 2Δf.

Основным недостатком анализаторов последовательного действия является большая продолжительность анализа.

При параллельном анализе спектра применяется набор фильтров (резонансных устройств), настроенных на разные частоты. На рис. 3.14 показана структурная схема анализатора спектра параллельного действия.

 

 

Рис. 3.14

 

Анализатор спектра параллельного действия состоит из входного устройства, набора фильтров Ф, набора квадратичных детекторов КД, коммутатора К, выходного усилителя У.

Анализаторы подобного типа предназначаются для работы в области низких частот, обычно не свыше 100 кГц. Промышленностью выпускается анализато­ры с числом каналов от 8 до 80.

Анализаторы спектра имеют следующие основные параметры: диапазон рабочих частот; чувствитель­ность; погрешности измерения по амплитуде и частоте; разрешающая способ­ность; время анализа.

Выпускаемые промышленностью анализаторы последовательного действия работают в диапазоне от инфранизких до сверхвысоких частот.

Порог чувстви­тельности низкочастотных анализаторов находится в пределах 10^-4-10^-3 В, сверхвысокочастотных – в пределах 10^-7-10^-12 Вт. Погрешность измерения по амплитуде составляет ±(5 - 10)%, по частоте ±(2 - 3)%.

Важнейшей характеристикой АС является разрешающая способность –способность выделить две соседние спектральные линии. Количественноймерой разрешающей способности, является наименьший интервал частот между двумя спектральными ли­ниями, при котором они различаются анализатором. Меройразрешающей способности является ширина полосы пропускания фильтра 2Δf. Одной из основных характеристик анализатора спектра является время анализа.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒