Лекция 18. Основные сведения

Тема 9. Приборы формирования стандартных измерительных сигналов

 

Лекция 18. Основные сведения

Генераторы измерительных сигналов (автогенераторы) — это источники сигналов различных форм и частот, предназначенные для настройки и регулировки радиоэлектронной аппаратуры.

В зависимости от формы выходных сигналов различают генераторы синусоидальных и релаксационных (импульсных) колебаний. Спектр сигнала генератора синусоидальных колебаний имеет одну или несколько гармоник. Выходные сигналы генератора релаксационных колебаний содержат широкий спектр гармоник, имеющих разные амплитуды.

Приняты и применяются следующие пределы и условные обозначения диапазонов:

Ø мириаметровые волны и оченьнизкие частоты (ОНЧ от 3 до 30 кГц);

Ø километровые волны и низкие частоты (НЧ от 30 до 300 кГц);

Ø гектометровые волны и средние частоты (СЧ от 300 до 3000 кГц);

Ø декаметровые волны и высокие частоты (ВЧ от 3 до 30 МГц);

Ø метровые волны и очень высокие частоты (ОВЧ от 30 до 300 МГц);

Ø дециметровые волны и ультравысокие частоты (УВЧ от 300 до 3000 МГц);

Ø сантиметровые волны и сверхвысокие частоты (СВЧ от 3 ГГц до 30 ГГц);

Ø миллиметровые волны и крайне высокие частоты (КВЧ от 30 до 300 ГГц);

Ø децимиллиметровые волны и гипервысокие частоты (ГВЧ от 300 до 3000 ГГц).

По частотному диапазону генераторы подразделяются на следующие виды:

Ø инфранизкочастотные (0,01 Гц...20 МГц);

Ø низкочастотные, или генераторы звукового диапазона (20 Гц …300 МГц);

Ø генераторы высоких частот (ВЧ — 0,3...300 МГц);

Ø генераторы сверхвысоких частот (СВЧ — свыше 300 МГц …30 ГГц);

Ø генераторы крайневысоких частот (КВЧ — свыше 30 ГГц …300 ГГц).

Отдельную группу представляют генераторы случайных колебаний — шумовые генераторы. Следует отметить, что и ГЛИН также относятся к релаксационным генераторам. Этот тип генераторов может быть использован как генератор разверток, а также в качестве измерительного прибора.

Независимо от назначения, принципа действия и схемы генератор любых из перечисленных колебаний (кроме параметрических схем генерации) состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи и источника питания постоянного тока. Форма и частота выходных сигналов определяются только параметрами самого генератора.

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

Для возбуждения и генерации колебаний часть их энергии с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подается на его вход по организованной для этого случая цепи положительной обратной связи. Подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генератором с самовозбуждением. В момент запуска в колебательной системе автогенератора возникают свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, электрическими флуктуациями и т.п. Благодаря наличию положительной обратной связи эти первоначальные колебания усиливаются и растут по амплитуде. Причем на первом этапе, пока амплитуды малы, усиление имеет практически линейный характер, и автогенератор может рассматриваться как линейная система.

Энергетически процесс нарастания амплитуд объясняется тем, что за один период колебания усилитель сообщает контуру энергии больше, чем она расходуется за это же время в контуре. С ростом амплитуд начинает проявляться нелинейность системы (кривизна вольт-амперной характеристики усилителя) и усиление снижается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в контуре, т.е. когда энергияотдаваемая усилителем в контур за один период, равна энергии расходуемой за это же время в колебательном контуре. В результате амплитуда выходных колебаний автогенератора достигает некоторого установившегося уровня и потом становится практически постоянной. Этот случай является стационарным режимом работы автогенератора.

Генератор синусоидальных колебаний можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 9.1), состоящей из нелинейного резонансного усилителя с комплексным коэффициентом усиления K и цепи положительной обратной связи с комплексным коэффициентом передачи по напряжению K _{о . с} . В обобщенной структурной схеме участвуют комплексные амплитуды следующих напряжений:

Ø входное напряжение — U _вх;

Ø выходное напряжение — U _вых;

Ø напряжение обратной связи — U _{o . c} .

Выражение для напряжения обратной связи на любой частоте генерации запишем в следующем виде:

U _{o . c} = U _вх = K _{о . с} U _вых. (9.1)

Тогда выходное напряжение U _вых = KU _вх или с учетом выражения (9.1)

U _вых = K _{о . с} KU _вх. (9.2)

Из формулы (9.2) следует, что автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии

KK _{о . с} = 1. (9.3)

Если KK _{о . с} > 1, то амплитуда выходных колебаний нарастает, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора. Выражение (9.3) можно разложить следующим образом:

K (ω) K _{о . с} (ω) = KK _{о . с} = 1. (9.4)

В формуле (9.4) K (ω) = K и K _{о . с} (ω) = K _{о . с} — действительные значения коэффициента усиления собственно усилителя (без цепи обратной связи) и коэффициента передачи цепи положительной обратной связи; φ _k (ω) = φ _k и φ _{k о . с} (ω) = φ _{k о . с} — фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем и цепью положительной обратной связи на текущей частоте ω.

Из формулы (9.4) следует, что для возникновения устойчивых автоколебаний в контуре необходимо выполнить следующие условия:

Ø обеспечить сигнал положительной обратной связи

KK _{о . с} = 1; (9.5)

Ø возникший в замкнутом контуре сдвиг фазы должен отвечать равенству

φ _k + φ _{k о . с} = 2 π m, (9.6)

где m — натуральные целые числа 1,2, 3 и т.д.;

Ø для постоянства амплитуды автоколебаний статическая характеристика усилителя должна иметь линейный участок.

Соотношение (9.5) определяет условие баланса амплитуд в автогенераторе. Из него следует, что в стационарном режиме на генерируемой частоте коэффициент усиления усилителя с обратной связью K _{о . с} = 1.

Равенство (9.6) характеризует условие баланса фаз. Оно показывает, что в стационарном режиме суммарные фазовые сдвиги сигнала на частоте генерации, создаваемые усилителем и цепью положительной обратной связи, должны быть равны нулю или кратны 2 π. Отметим, что только условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний.

В схемах генераторов синусоидальных колебаний, работающих в стационарном режиме, соотношения (9.5) и (9.6) выполняются на одной фиксированной частоте ω, которая является резонансной для узкополосной колебательной системы. При работе автогенератора негармонических колебаний условия (9.5) и (9.6) должны выполняться для некоторой полосы частот.

В генераторах синусоидальных колебаний колебательными системами служат резонансные LC -контуры и частотно-зависимые (фазирующие) RC -цепи. Генераторы синусоидальных колебаний с LC -контурами называются LC - генераторами, а с фазирующими RC -цепями — RC - генераторами. LC -генераторы вырабатывают колебания высокой частоты (более 100 кГц), а RC -генераторы применяют для создания низкочастотных синусоидальных колебаний (от единиц герц до десятков килогерц).