Цифровые вольтметры параллельного типа

 

В схеме АЦП (и ЦВ на их основе) данного типа измеряемое напряжение подается сразу на несколько схем сравнения. В них производится одновременное сравнение напряжения U_х с опорными напряжениями U_oi, 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, К_ш 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 nf_г ± mf_пу (m,n=0,1,2..).Частота гетеродина f_г выбирается примерно равной средней частоте f_пу 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 U_вых возвращается к прежнему значению. При уменьшении U_вых 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 ± mf_п2 (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 f_1±Df₁ и f_2± 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 F_0,2P_0,5FM₁₅ имеет d_f=±0,2%, d_Р=±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 (τ_с,τ_ф – 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.