В схеме АЦП (и ЦВ на их основе) данного типа измеряемое напряжение подается сразу на несколько схем сравнения. В них производится одновременное сравнение напряжения Uх с опорными напряжениями Uoi, задаваемыми образцовым источником ИОН и делителем напряжения на резисторах. Дешифратор выбирает минимальный из всех сигналов с устройств сравнения и отображает его на устройстве индикации.
Этот тип преобразователя является самым быстродействующим – до 107 измерений в секунду при относительно высокой точности- до 0,5%. Основной недостаток параллельных АЦП- большое число схем сравнения для получения достаточно малой погрешности дискретности.
Микросхемы К1107ПВ1 (6-разрядный АЦП с 63 компараторами) и К1107ПВ2 (8-разрядный) имеют время преобразования 0,1мкс. Для исследования быстро изменяющихся аналоговых сигналов были разработаны ИС К1107ПВ3 (6-разрядный АЦП) и К1107ПВ4 (8-разрядный) с ЭСЛ- выходами и временем преобразования 20-30нс.
IV. Измерительные генераторы
Классификация генераторов
При исследованиях различного рода РЭА необходимы источники испытательных сигналов. С помощью этих источников, вырабатывающих сигналы разнообразных частот и форм, снимают различные характеристики (АЧХ, переходные характеристики, Кш и др.); измеряют ряд параметров сигналов, используя источник в качестве меры; градуируют и поверяют измерительные приборы; имитируют сигналы, поступающие на РЭА при реальных условиях и пр.
Подобные источники сигналов получили название измерительные генераторы сигналов. Следовательно это источники радиотехнических сигналов определённой формы, частота и выходной уровень которых установлены в некоторых пределах с заданной точностью.
Измерительные генераторы можно условно классифицировать по различным признакам:
· по форме сигналов - на генераторы гармонических сигналов, импульсов, шумовых сигналов, сигналов специальной формы (функциональные генераторы), качающейся частоты
· по диапазону частот - на генераторы инфранизкой частоты (10-3-105Гц), низкой частоты (20-200кГц), высокочастотные (30кГц-50МГц), сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом (300МГц- 10ГГц) и СВЧ с волноводным выходом (более 10ГГц)
· по виду модуляции – на генераторы с амплитудной гармонической, с частотной гармонической, с импульсной, с комбинированной, с частотной и фазовой манипуляциями.
Согласно ГОСТ 15094 измерительные генераторы подразделяются на следующие группы:
Г1 – установки для поверки измерительных генераторов
Г2 – генераторы шумовых сигналов
Г3 – генераторы сигналов низкочастотные
Г4 – генераторы сигналов высокочастотные
Г5 – генераторы импульсов
Г6 – генераторы сигналов специальной формы (пилообразных, треугольных, ступенчатых)
Г8 –генераторы качающейся частоты (свип – генераторы).
Основные требования, предъявляемые к измерительным генераторам:
- постоянство формы генерируемых сигналов
- стабильность частоты и амплитудных характеристик
- точность установки временных и амплитудных параметров
- возможность регулировки параметров выходного сигнала
- возможность согласования выходных сопротивлений генератора и потребителя.
Генераторы группы Г2
Предназначены для генерации сигналов, параметры которых изменяются по случайному закону. Используются для оценки помехоустойчивости, предельной чувствительности радиоаппаратуры и ее узлов (радиоприёмников, транзисторов и других четырехполюсников).
Первичным источником шума является задающий генератор шума, работа которого основана на использовании физических эффектов, при которых возникают интенсивные шумы со статистическими характеристиками, поддающимися расчету:
- полупроводниковые шумовые диоды (лавино-пролетные, туннельные, стабилитроны). Имеют малые размеры и высокий разброс шумовых характеристик
- вакуумные шумовые диоды
- нагретые проволочные резисторы (согласно формуле Найквиста 
)
- фотоэлектронные умножители
- газоразрядные трубки.
Основным требованием к задающим генераторам является равномерность спектрального состава шумового сигнала в возможно большей полосе частот.
Обобщенная структурная схема низкочастотного генератора шума приведена на рис.21.
Рис.21
Выходной сигнал задающего генератора шума ЗГ поступает на высокочастотный полосовой усилитель ПУ с линейной в широких пределах амплитудной характеристикой.
Смеситель См и гетеродин Гет используются в качестве переносчика спектра в область низких частот. Сигналы ЗГ шума и гетеродина одновременно подаются на входы смесителя. На выходе См будет присутствовать набор комбинационных частот nfг ± mfпу (m,n=0,1,2..).Частота гетеродина fг выбирается примерно равной средней частоте fпу полосового усилителя. В результате этого низкочастотные составляющие спектра будет группироваться вблизи нуля и частоты 2f0.
С помощью фильтра низких частот ФНЧ выделяют составляющие спектра группирующиеся вблизи нулевой частоты.
В качестве выходных устройств применяют калиброванные частотно- скорректированные аттенюаторы Ат.
Генераторы группы Г3
На практике НЧ- генераторы синусоидального напряжения выпускаются с перекрытием различных диапазонов частот. Имеются генераторы инфранизких и низких частот, звуковых и ультразвуковых частот. В зависимости от способа получения колебаний требуемой частоты их можно разделить на генераторы основных колебаний и генераторы на биениях.
В устройствах первого типа используются задающие LC и RC- генераторы. Структурная схема генераторов приведена на рис.22.
Усилитель напряжения УН имеет равномерную частотную характеристику в рабочей полосе частот. Усилитель мощности УМ обеспечивает необходимую мощность выходного сигнала генератора. К нему могут быть подключены согласующие трансформаторы выходного устройства ВУ для работы с различными сопротивлениями нагрузки. В состав ВУ обычно входит и аттенюатор, обеспечивающий необходимое ослабление выходного сигнала.
Перестройка частоты генератора осуществляется измерением параметров задающего генератора ЗГ.
Задающие генераторы с LC контуром применяются редко, т.к. на низких частотах (порядка 20Гц) требуется весьма большие индуктивности. Кроме этого, катушки индуктивности нетехнологичны с точки зрения современных методов производства РЭА. Поэтому в качестве 3Г чаще используются RC- генераторы, представляющие собой дифференциальный усилитель, охваченный положительной частотно-зависимой обратной связью (ПОС). Для стабилизации уровня генерируемого сигнала применяется нелинейная частотно-независимая ООС.
Схема задающего RC- генератора приведена на рис.23. Частота генерации
определяется параметрами цепи ПОС (мост Вина). Из формулы видно, что перестройку генератора можно вести изменением сопротивлений R и емкостей С моста. На практике ступенчатым изменением сдвоенных резисторов устанавливается требуемый диапазон частот, внутри которого сдвоенным конденсатором переменной емкости производится плавное изменение частоты. Коэффициент перекрытия в каждом диапазоне равен 10.
Рис. 23
Для обеспечения стабильности амплитуды генерируемых синусоидальных сигналов используется цепь ООС, в состав которой входит элемент, сопротивление которого нелинейно зависит от напряжения.
При возрастании выходного напряжения генератора отрицательная ОС увеличивается быстрее, чем положительная, коэффициент усиления уменьшается и Uвых возвращается к прежнему значению. При уменьшении Uвых процесс имеет обратный характер. В качестве нелинейных сопротивлений используются терморезисторы, лампочки накаливания, полевые транзисторы.
Генераторы на биениях
Генераторы НЧ на биениях имеют более сложную конструкцию чем простые RC-генераторы, но обладают двумя существенными преимуществами:
· непрерывное перекрытие всего диапазона выходных частот
· высокую стабильность амплитуды выходного сигнала.
Структурная схема генератора на биениях приведена на рис.24. Устройство состоит из двух генераторов высокой частоты Г1 (генератор фиксированной частоты f1) и Г2 (генератор плавной перестройки f2).
Напряжения генераторов подаются на смеситель См, на выходе которого из набора комбинационных частот ±nf1 ± mfп2 (m,n=0,1,2..) с помощью ФНЧ выделяется разность частот Df= f1- f2. Далее сигнал поступает на выходное устройство ВУ генератора. Используемые усилители поднимают выходные сигналы генераторов до необходимого уровня.
Рассмотрим числовой пример. Пусть фиксированная частота Г1 равна f1=400кГц, а частота Г2 изменяется в пределах f 2=360-400кГц. Тогда на выходе ФНЧ получится разностная частота Df, изменяющаяся в пределах 0-40кГц. Этот диапазон перекрывается при 20% изменении емкости конденсатора, без переключения частотных поддиапазонов.
При обеспечении схемотехнической и конструктивной идентичности генераторов Г1 и Г2 их температурная и временная нестабильности f1±Df1 и f2± Df2 будут существенно снижены при получении разностной частоты Df. Кроме этого, замена частотозадающих емкостей кварцевыми резонаторами позволит существенно повысить стабильность генерируемой частоты.
Большой диапазон перекрытия и возможность использования варикапов делают генераторы на биениях весьма перспективными при использовании их в различного рода измерителях амплитудно- частотных характеристик.
Генераторы группы Г4
Генераторы высокой частоты являются источниками гармонических или модулированных колебаний, параметры которых заданы с известной точностью. Основные характеристики генераторов по ГОСТ 10622 сведены в таблицу:
· погрешность установки частоты (F - параметр)
· погрешность установки уровня выходного сигнала по напряжению (U - параметр) и мощности (Р - параметр)
· погрешность установки коэффициента амплитудной модуляции (АМ - параметр)
· погрешность установки девиации частоты в режиме частотной модуляции (FM - параметр).
· погрешность установки длительности импульса в режиме импульсной модуляции (РМ - параметр)
Классы точности ВЧ-генераторов приведены в таблице
| F | 0,02 | 0,05 | 0,1 | 0,2 | 0,5 | ||
| P | 0,5 | 1,0 | 1,5 | ||||
| AM | |||||||
| FM | |||||||
| PM |
Например, генератор F0,2P0,5FM15 имеет df=±0,2%, dР=±0,5дБ, девиацию Df=±15%.
Генераторы радиочастотного диапазона характеризуются относительно высокой стабильностью амплитудных и частотных параметров, малым коэффициентом гармоник, возможностью получения различных модуляций. Типовая структурная схема ВЧ- генератора сигналов изображена на рис.25.
Задающий генератор, вырабатывающий синусоидальное напряжение в заданном диапазоне частот, выполняется по различным схемам: трехточки, с трансформаторной связью, с электронной связью и пр. Его градуируют по частоте, разбивая весь частотный диапазон на ряд поддиапазонов.
Усилитель- модулятор (У-М) усиливает сигнал ЗГ по напряжению и мощности, осуществляет его развязку от внешней нагрузки и служит модулятором. Иногда модулятор выполняется в виде отдельного блока, выполненного по различным схемам.
Измерительные генераторы способны работать в режиме непрерывной генерации (без модуляции), амплитудной, частотной и импульсной модуляции. Обычно предусматривается режим внутренней и внешней модуляции. Источником внутреннего модулирующего напряжения ИМН при амплитудной модуляции служит ГНЧ. Для получения других видов модуляции используются соответствующие модуляторы.
Выходное устройство содержит калиброванный аттенюатор (со ступенями, кратными 10) и потенциометр плавной регулировки напряжения выходного сигнала. Существенные трудности при разработке генераторов Г4- вызывает необходимость получения весьма малых значений выходного напряжения (до 1мкВ). Для этого требуется тщательное экранирование ряда узлов генератора от сравнительно мощных источников ВЧ- колебаний.
Контрольными приборами служат электронный вольтметр, измеритель параметров модуляции и в ряде случаев цифровой вольтметр.
К генераторам Г4 так же относятся генераторы видеочастот с диапазоном 20 Гц – 10 МГц с повышенным уровнем выходного напряжения (например, до 30 В у Г4 - 117), генераторы ультравысоких частот (400 – 1000 МГц) и генераторы СВЧ сигналов (1 - 80ГГц).
Генераторы группы Г5
Импульсные генераторы предназначены для формирования импульсных сигналов различной формы. Наиболее распространенными являются генераторы импульсов прямоугольной формы группы Г5.
По числу каналов генераторы подразделяются на одноканальные и многоканальные. Одноканальные генераторы имеют на одном или нескольких связанных между собой выходах сигналы, не имеющие раздельной регулировки импульсов, кроме амплитуды и полярности. Многоканальные – имеют независимые выходы с раздельной регулировкой в каждом канале параметров импульсов.
Их так же можно подразделить на генераторы микросекундных и наносекундных импульсов, на генераторы непрерывной последовательности импульсов, серии импульсов и кодовых последователей (пакетов).
Структурная схема генератора импульсов одноканального типа приведена на рис.26.
Задающий генератор ЗГ вырабатывает импульсы с частотой следования, регулируемой плавно либо ступенчато в заданном диапазоне. Одновременно генератор выдает импульсы синхронизации с той же частотой следования через блок синхронизации БС. Задающий генератор может работать в непрерывном или ждущем режимах. В ждущем режиме (и в случае необходимости при непрерывной работе) частота ЗГ синхронизируется внешним сигналом.
Рис.26
Импульсы ЗГ используются для запуска схемы задержки (блок задержек БЗ) и схемы формирования импульсов (блок формирования импульсов БФИ). Схема задержки служит для установления определённого временного сдвига выходного импульса относительно внешнего запускающего импульса. В БФИ формируются импульсы требуемой формы и длительности.
В качестве усилителя мощности УМ применяют широкополосные усилители, обеспечивающие необходимые значения амплитуды, полярности импульсов и согласование с нагрузкой.
К основным характеристикам генераторов импульсов можно отнести частоту повторения (F), скважность (Q) и амплитуду(А) импульсов, длительность импульса (τ- по уровню 0,5А), длительность фронта и спада (τс,τф – по уровню 0,1А и 0,9А),, выбросы на вершине и срезе импульса (b1, b2- в процентах от А), неравномерность вершины импульса (δ- в процентах от А).
Промышленность выпускает импульсные генераторы с длительностью импульсов от нескольких наносекунд до единиц секунд с частотой следования от 1Гц до 80МГц с выходным напряжением до 200В.
Генераторы группы Г8
Генераторы качающейся частоты ГКЧ (свип- генераторы) как самостоятельные приборы не выпускаются, но являются составной частью всех панорамных приборов. Такие генераторы вырабатывают колебания напряжение которого постоянно, а частота изменяется по линейному закону. Генераторы строятся по схемам аналогичным генераторам на биениях.
