Лек Тема 03-5 ИГ

1.

Тема 3. Генераторы измерительных сигналов
Лекция 5
Учебные вопросы
1. Структурная схема и функциональные элементы ИГ
2. Генераторы сигналов низкой частоты
3. Генераторы сигналов высокой частоты
4. Генераторы импульсных сигналов

2.

Раздел 2. Электрорадиоизмерения
2
Тема 3. Генераторы измерительных сигналов
3.1. Структурная схема и функциональные элементы измерительных ИГ
Измерительные генераторы - источники электрических колебаний,
параметры которых (частота, напряжение или мощность, спектральный состав или
степень модуляции) могут регулироваться в некоторых пределах и отсчитываться с
гарантированной для данного прибора точностью.
Классификация ИГ по виду (форме) и частоте сигналов (ГОСТ 15094 - 86)
Г1-установки для поверки ИГ;
Г2-генераторы шумовых сигналов;
Г3-генераторы сигналов НЧ;
Г4-генераторы синусоидальных модулированных колебаний ВЧ;
Г5-генераторы импульсов;
Г6-генераторы сигналов сложной формы;
Г7-синтезаторы частоты;
Г8-генераторы качающейся частоты (свип-генераторы) ГКЧ;
Г9-генераторы испытательных импульсов.

3.

Основные характеристики ИГ:
3
1. Основная - диапазон перекрываемых генератором частот, т.е. такой частотный
интервал, в котором сигнал ИГ соответствует всем нормам по точности,
предписанным данному прибору.
2. Пределы регулировки напряжения выходного сигнала Umin - Umax или мощности
Pmin - Pmax.
3. Диапазоны регулировки параметров модуляции*
4. Выходное сопротивление генератора Rвых
* Модуляцией называется изменение некоторого параметра (амплитуды,
частоты, фазы) выходного ВЧ сигнала в соответствии с изменением амплитуды
модулирующего НЧ сигнала. В ИГ используют различные виды модуляции, в том
числе: амплитудную синусоидальную (АМ), частотную синусоидальную (FМ),
амплитудно-импульсную (РМ.

4.

4
ЗГ
ПУ
Обобщенная
структурная схема
измерительного
генератора
ВыхУ.
ИУ
ЗГ Задающий генератор - первичный
источник гармонических колебаний,
является основным узлом
измерительного генератора.
ПУ Промежуточное устройство служит для
1) придания сигналу требуемой формы,
2) повышения его энергетического уровня, а также
3) развязки задающего генератора и нагрузки.
Вых.У Выходное устройство предназначено для
1) согласования ИГ с внешней нагрузкой,
2) изменения выходного напряжения (мощности) измерительного сигнала,
3) изменения выходного сопротивления ИГ.
ИУ Измерительное устройство осуществляет
1) контроль установки значений основных параметров выходного сигнала
2) отображение значений основных параметров выходного сигнала.

5.

Задающий генератор
Работой ЗУ определяется ряд важных частотных параметров выходного
сигнала:
значение,
диапазон рабочих частот,
погрешность установки частоты,
стабильность частоты,
возможность плавной расстройки частоты.
ООС
uвых
f
Обычно ЗГ состоит из активного элемента и
колебательной системы и является автогенератором
синусоидальных колебаний, обобщенную схему
которого представляют в виде усилителя с цепями
• положительной (ПОС) и
• отрицательной (ООС) обратной связи.
ПОС
Обобщенная схема
автогенератора
5
fp
1
2 LC
;

6.

ООС
ψ
k φ
uвых
β
f
ПОС
Обобщенная схема
автогенератора
u
fр
f
Самовозбуждение
автогенератора на
частоте f0
Работа любого автогенератора основана на 6
том, что энергия от источника питания через
управляемый элемент подается в колебательную
систему. Управляющий сигнал снимается с этой же
колебательной системы, настроенной на заданную
частоту, и подается на вход управляемого
элемента через цепь положительной обратной
связи. При соответствующем выборе параметров
такая система становится неустойчивой.
Амплитуды колебаний резонансной частоты
колебательной системы, вызванных, например,
тепловыми шумами, резко возрастают. По мере
роста амплитуды колебаний существенную роль
начинают играть нелинейные свойства
управляемого элемента и амплитуда
автоколебаний, достигнув не ООС которого
установившегося значения, в дальнейшем
остается практически постоянной.
fp
1
2 LC
;

7.

ООС
ψ
k φ
uвых
β
f
ПОС
Обобщенная схема
автогенератора
u
fр
f
Самовозбуждение
автогенератора на
частоте f0
Работа любого автогенератора основана на 7
том, что энергия от источника питания через
управляемый элемент подается в колебательную
систему. Управляющий сигнал снимается с этой же
колебательной системы, настроенной на заданную
частоту, и подается на вход управляемого
элемента через цепь положительной обратной
связи. При соответствующем выборе параметров
такая система становится неустойчивой.
Амплитуды колебаний резонансной частоты
колебательной системы, вызванных, например,
тепловыми шумами, резко возрастают. По мере
роста амплитуды колебаний существенную роль
начинают играть нелинейные свойства
управляемого элемента и амплитуда
автоколебаний, достигнув не ООС которого
установившегося значения, в дальнейшем
остается практически постоянной.
fp
1
2 LC
;

8.

ООС
ψ
k φ
uвых
β
f
ПОС
Обобщенная схема
автогенератора
u
fр
f
Самовозбуждение
автогенератора на
частоте f0
Работа любого автогенератора основана на 8
том, что энергия от источника питания через
управляемый элемент подается в колебательную
систему. Управляющий сигнал снимается с этой же
колебательной системы, настроенной на заданную
частоту, и подается на вход управляемого
элемента через цепь положительной обратной
связи. При соответствующем выборе параметров
такая система становится неустойчивой.
Амплитуды колебаний резонансной частоты
колебательной системы, вызванных, например,
тепловыми шумами, резко возрастают. По мере
роста амплитуды колебаний существенную роль
начинают играть нелинейные свойства
управляемого элемента и амплитуда
автоколебаний, достигнув не ООС которого
установившегося значения, в дальнейшем
остается практически постоянной.
fp
1
2 LC
;

9.

Цепь ПОС является частотно избирательной,
9
ООС
содержит колебательный контур и обеспечивает
uвых возбуждение электрических колебаний на той частоте
k φ
f0, для которой выполняется условие баланса фаз и
f
β
ψ
коэффициент передачи цепи больше единицы.
ПОС
В зависимости от элементов колебательного
Обобщенная схема
контура в цепи ПОС, различают RC - генераторы, LС автогенератора
генераторы и кварцевые генераторы. Кроме того,
используют схемы ЗГ на электронных моделях, схемы
ЗГ на биениях; на СВЧ – элементах.
Цепь ООС обычно является частотно-независимой
и обеспечивает условие баланса амплитуд во всем
диапазоне частот генератора. Отрицательная обратная
связь чаще всего осуществляется через резисторный
делитель и служит для
1) устранения нелинейных искажений,
2) получения равномерной частотной характеристики,
3) стабилизации амплитуды колебаний генератора.
fp
1
2 LC
;

10.

Промежуточное устройство
10
В ПУ осуществляются масштабные и функциональные преобразования
первичного сигнала.
В ПУ могут входить усилитель, модулирующий генератор, модулятор,
элементы задержки и другие элементы.
Промежуточное устройство обязательно имеет усилитель, который позволяет
не только увеличить энергетический потенциал сигнала, но и значительно
ослабить влияние нагрузки и выходных устройств на работу задающего
генератора.
Модулирующий генератор применяют для осуществления одного или
нескольких видов модуляции. Используются модулирующие генераторы
преимущественно в генераторах высокой или сверхвысокой частот.
Модулирующий генератор представляет собой автогенератор, работающий, как
правило, на фиксированных частотах (1кГц или 400Гц).

11.

Выходное устройство
11
Как правило, выходное устройство представляет собой калиброванный
аттенюатор, обеспечивающий затухание сигнала, конструкция которого
определяется видом генерируемых колебаний, диапазоном рабочих частот и
величиной требуемого ослабления.
Для согласования сопротивлений генератора и нагрузки (в зависимости от
диапазона частот и вида генерируемых сигналов) используют согласующие
трансформаторы. Иногда согласование осуществляется с помощью делителей
напряжения, составленных из проволочных резисторов.
Выход ИГ бывает симметричным относительно земли (т.е. имеет три клеммы:
+, , и ) и несимметричным, т.е. имеющим две клеммы: + и или и .
Несимметричный выход ИГ может быть коаксиальным, волноводным или
двухпроводным.
Выходное устройство некоторых видов генераторов может содержать
усилители мощности.

12.

Измерительное устройство
12
ИУ осуществляет контроль установки и отображение значений напряжения
(мощности), частоты и параметров модуляции сигнала ИГ.
Эти параметры измеряют на входе выходного устройства, чтобы их значения
не зависели от нагрузки.
Измерительные устройства должны быть достаточно простыми, дешевыми и
надежными.
В измерительных генераторах часто отказываются от измерения выходных
величин в диапазоне, а определяют лишь один заданный уровень выходного
сигнала.
Системы коммутации и измерительные преобразователи дают возможность
использовать один измерительный прибор в качестве индикатора к измерителям
различных параметров.

13.

3.2. Генераторы сигналов низкой частоты
13
Генераторы сигналов низкочастотные Г3 - являются источниками
электрических синусоидальных колебаний на частотах от 20 Гц до 200 кГц.
Имеются тенденции к расширению диапазона от долей герц до десятков мегагерц.
№
Обознач.
поДиапазон частот * МККР по
ло
частотам
сы
Диапазон волн
Обознач. МККР по
волнам
4
3 кГц - 30 кГц
ОНЧ
100км - 10км мириаметровый
СДВ сверхдлинные
5
30 кГц - 300 кГц
НЧ
10км - 1км пикометровый
ДВ длинные
6
300 кГц - 3 МГц
Сред.Ч
1000 м -100 м гектометровый
СВ средние
7
3 МГц - 30 МГц
ВЧ
100 м - 10 м декаметровый
КВ короткие
8
30 МГц - 300 МГц
ОВЧ
10 м - 1 м ультравысокий
УКВ ультракороткие
9
300 МГц - 3 ГГц
УВЧ
10дм - 1дм дециметровый
ДЦМВ дециметровые
10
3 ГГц - 30 ГГц
СВЧ
10см - 1см сантиметровый
СМВ сантиметровые
11
30 ГГц - 300 ГГц
КВЧ
10мм - 1мм миллиметровый
ММВ миллиметровые
12
300 ГГц -3000 ГГц
1мм -0,1мм
децимиллиметровый
* - исключая нижний, включая верхний предел.

14.

Выходное синусоидальное напряжение генераторов регулируется от долей 14
милливольт до 5 В (реже - до 150 В). Выходная мощность при согласованной
нагрузке достигает значений от 1 мВт до 10 Вт.
Модуляция сигналов по амплитуде, как правило, отсутствует.
ЗГ
Сг
УМ
Rг
Rм
ВыхУ
ЭВ
Обобщенная схема генератора
синусоидальных сигналов низкой
частоты
В качестве ЗГ могут быть использованы
резистивно-емкостные генераторы RC,
генераторы – электронные модели,
цифровые генераторы, генераторы на
биениях (построенные на гетеродинном
принципе) и др.
Регулировка частоты в RC-генераторе осуществляется дискретно
переключением резисторов Rг (переключение поддиапазонов) и плавно
изменением емкости переменного конденсатора Сг (перестройка частоты внутри
поддиапазона).

15.

ЗГ
Сг
УМ
Rг
Rм
ВыхУ
ЭВ
Обобщенная схема генератора
синусоидальных сигналов низкой
частоты
Уменьшение уровня выходного
15
напряжения заданной частоты
осуществляется либо на выходе задающего
генератора ЗГ потенциометром R плавной
перестройки, либо в аттенюаторе
выходного устройства дискретно.
В усилителе мощности УМ обеспечивают постоянное усиление сигнала по
мощности и постоянство выходного напряжения, контролируемые измерителем
выходного напряжения - электронным вольтметром ЭВ.
Шкала ЭВ градуируется в среднеквадратических значениях синусоидального
сигнала. Напряжение на выходе генератора определяют по показанию вольтметра,
умноженному на коэффициент деления, считываемый по шкале аттенюатора
выходного устройства (ВыхУ), в качестве которого обычно используют
последовательно соединенные аттенюатор и согласующий трансформатор.

16.

3.4. Генераторы сигналов высокой частоты
16
Измерительные генераторы высокочастотных сигналов составляют большую
группу источников гармонических немодулированных или модулированных
электрических колебаний в диапазоне свыше 30 кГц, параметры которых
изменяются в широких пределах и фиксируются с нормированной погрешностью.
№
Обознач.
поДиапазон частот * МККР по
ло
частотам
сы
Диапазон волн
Обознач. МККР по
волнам
4
3 кГц - 30 кГц
ОНЧ
100км - 10км мириаметровый
СДВ сверхдлинные
5
30 кГц - 300 кГц
НЧ
10км - 1км пикометровый
ДВ длинные
6
300 кГц - 3 МГц
Сред.Ч
1000 м -100 м гектометровый
СВ средние
7
3 МГц - 30 МГц
ВЧ
100 м - 10 м декаметровый
КВ короткие
8
30 МГц - 300 МГц
ОВЧ
10 м - 1 м ультравысокий
УКВ ультракороткие
9
300 МГц - 3 ГГц
УВЧ
10дм - 1дм дециметровый
ДЦМВ дециметровые
10
3 ГГц - 30 ГГц
СВЧ
10см - 1см сантиметровый
СМВ сантиметровые
11
30 ГГц - 300 ГГц
КВЧ
10мм - 1мм миллиметровый
ММВ миллиметровые
12
300 ГГц -3000 ГГц
1мм -0,1мм
децимиллиметровый
* - исключая нижний, включая верхний предел.

17.

Генераторы высоких частот (ГВЧ) Г4 - в основном используют для
настройки радиовещательных приемников,
контроля параметров различных четырехполюсников и
поверки электронных вольтметров.
ЗГ
Ус-Мод
Фильтр
Вых.У
АРУ
Изм.У
17
ЧМ
Внешн.
Внутр.
АМ
ГНЧ
Внешн.
М%
Обобщенная структурная схема
генератора сигналов высокой
частоты
Задающий генератор (ЗГ) предназначен для выработки высокочастотных
автоколебаний несущей частоты. Он должен обеспечивать стабильность частоты,
формы и амплитуды колебаний. Частотная модуляция (ЧМ) реализуется
воздействием непосредственно на частотозадающие элементы задающего
генератора.
1
fp
В качестве ЗГ используют генераторы типа LC.
2 LC

18.

ЗГ
Ус-Мод
Фильтр
Вых.У
АРУ
Изм.У
ЧМ
Внешн.
Внутр.
АМ
ГНЧ
Внешн.
М%
Обобщенная структурная схема
генератора сигналов высокой
частоты
Промежуточные устройства (усилитель-модулятор, модулятор импульсный)
предназначены для
1) осуществления режимов внешней и внутренней амплитудной (АМ) и
импульсной (ИМ) модуляции,
2) повышения энергетического потенциала и уменьшения влияния выходного
устройства на работу задающего генератора.
18

19.

ЗГ
Ус-Мод
Фильтр
Вых.У
АРУ
Изм.У
Внутренняя АМ осуществляется 19
на фиксированных частотах от
встроенного ГНЧ.
ЧМ
Внешн.
Внутр.
АМ
ГНЧ
Внешн.
М%
u ( t ) U ( 1
Обобщенная структурная схема
генератора сигналов высокой
частоты
iвых
uвых(t2)
uвых(t1)
uнес
uнес
t1
t2
tнес
uвх
uмод
t
tнес
Осуществление амплитудной модуляции в
усилителе-модуляторе
U
cos t ) cos t
U
Усилитель-модулятор представляет
собой широкополосный усилитель с
нелинейной передаточной
характеристикой.
На входе Ус-Мод высокочастотный
сигнал несущей частоты от задающего
генератора и низкочастотный
модулирующий сигнал от ГНЧ с
гораздо большей амплитудой.
Модулирующий сигнал
перемещает рабочую точку усилителя
по нелинейной характеристике
усилителя-модулятора на участки с
различной крутизной, изменяя
коэффициент его усиления.

20.

ЗГ
Ус-Мод
Фильтр
Вых.У
АРУ
Изм.У
Амплитуда высокочастотного 20
сигнала на выходе усилителямодулятора изменяется в соответствии
с изменением амплитуды
низкочастотного модулирующего
сигнала. На выходе модулятора
низкочастотный сигнал и постоянная
составляющая фильтруются.
ЧМ
Внешн.
Внутр.
АМ
ГНЧ
Внешн.
М%
UГНЧ
Обобщенная структурная схема
генератора сигналов высокой
частоты
Глубина АМ зависит только от
амплитуды НЧ модулирующего сигнала
и параметров модулятора, но не
t
зависит от амплитуды
высокочастотного сигнала ЗГ
t (несущей).
Коэффициент глубины АМ равен
t
UЗГ
Uвх Ус-Мод
Uвых Ус-Мод
UФ
B
A
t
t
Временные диаграммы амплитудной
модуляции сигнала
А В
mам
100%.
А В

21.

21
Для поддержания постоянного уровня выходного сигнала в ГВЧ часто
используют систему автоматического регулирования усиления (АРУ).
Изменяя значение опорного напряжения АРУ, можно изменять уровень
сигнала в пределах 10дБ. Поэтому во многих ГВЧ предусмотрена возможность
установки выходного сигнала в пределах от 1мкВ до 3В.
Выходное устройство, как правило, представляет собой ВЧ аттенюатор.
Выходы ГВЧ несимметричные коаксиальные.
Все цепи питания снабжают высокочастотными фильтрами для предохранения
от распространения по ним напряжения генерируемой частоты.

22.

3.5. Генераторы импульсных сигналов
22
Измерительные генераторы импульсов являются источниками импульсных
сигналов, которые могут различаться по форме, длительности, полярности,
амплитуде и периоду повторения (частоте следования) импульсов.
№
Обознач.
поДиапазон частот * МККР по
ло
частотам
сы
Диапазон волн
Обознач. МККР по
волнам
4
3 кГц - 30 кГц
ОНЧ
100км - 10км мириаметровый
СДВ сверхдлинные
5
30 кГц - 300 кГц
НЧ
10км - 1км пикометровый
ДВ длинные
6
300 кГц - 3 МГц
Сред.Ч
1000 м -100 м гектометровый
СВ средние
7
3 МГц - 30 МГц
ВЧ
100 м - 10 м декаметровый
КВ короткие
8
30 МГц - 300 МГц
ОВЧ
10 м - 1 м ультравысокий
УКВ ультракороткие
9
300 МГц - 3 ГГц
УВЧ
10дм - 1дм дециметровый
ДЦМВ дециметровые
10
3 ГГц - 30 ГГц
СВЧ
10см - 1см сантиметровый
СМВ сантиметровые
11
30 ГГц - 300 ГГц
КВЧ
10мм - 1мм миллиметровый
ММВ миллиметровые
12
300 ГГц -3000 ГГц
1мм -0,1мм
децимиллиметровый
* - исключая нижний, включая верхний предел.

23.

Генераторы прямоугольных импульсов применяют:
23
для исследования и настройки импульсных устройств вычислительной техники,
компонентов компьютеров, дискретных электронных схем, видеоусилителей;
для снятия переходных характеристик четырехполюсников;
для модуляции измерительных ВЧ генераторов;
для контроля цифровых систем передачи информации и для других целей.
Генераторы прямоугольных импульсов (ГИ) в зависимости от характера
последовательности выходных импульсов подразделяются на генераторы
одинарных и парных импульсов (Г5 -), генераторы испытательных импульсов (Г9 -),
генераторы псевдослучайных последовательностей (Т2 -) и генераторы кодовых
комбинаций (Т3 -). Они могут быть выполнены по одноканальной или
многоканальной (до пяти) схемам.
U
uси(t)
Uмакс
0,9Uмакс
t
0,5Uмакс
T
uои(t)
0,1Uмакс
τ
D
t
T
Параметры последовательности Q T
импульсных сигналов
τ
ф
ср
Нормируемые параметры импульса
t

24.

f=1/T
ЗГ
=D
СЗ
, ф, ср
ФД
U
ВыхУ
УС
ФС
ИУ
Д
Внеш запуск
СИ
24
1:1 1:10 1:100
Выход
Обобщенная структурная схема генератора импульсов
ЗГ может работать либо в автоколебательном режиме с частотой повторения f
(режим внутреннего запуска), либо в режиме внешнего запуска. Вырабатывает
сигналы, управляющие работой устройства синхронизации (УС). ЗГ может быть
построен по схеме мультивибратора или блокинг-генератора либо кварцевого или
RC - генератора. В режиме внешней синхронизации ЗГ запускается внешними
импульсами через устройство синхронизации.
Сигнал ЗГ поступает на формирователь синхроимпульсов (ФС), служащих для
обеспечения синхронной работы внешних устройств с ГИ, и на схему задержки
(СЗ).

25.

f=1/T
ЗГ
=D
СЗ
, ф, ср
ФД
U
ВыхУ
УС
ФС
ИУ
Д
Внеш запуск
СИ
25
1:1 1:10 1:100
Выход
Обобщенная структурная схема генератора импульсов
Схема задержки позволяет получить временной сдвиг =D между
синхронизирующим импульсом (СИ) и импульсом, снимаемым с основного выхода
генератора. Длительность задержки D регулируют ступенями и плавно в широких
пределах.
Формирователь длительности (ФД) обеспечивает формирование импульсов
определенной формы и длительности . Его характеристики определяют значения
длительностей фронта и среза импульса.
Выходное устройство (ВыхУ) содержит широкополосный усилитель,
обеспечивающий необходимый уровень сигнала, и фазоинверсный каскад,
необходимый для изменения полярности выходных импульсов. Выходное
сопротивление делителя выбирается из ряда 50, 75, 150, 200, 500 или 1000 Ом.