Генераторы качающейся частоты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. А.М. Горького

Радиоизмерительная лаборатория

ФИЛЬТРЫ ВЫСОКИХ И НИЗКИХ ЧАСТОТ

Методические указания

По выполнению лабораторных работ № 3 и № 4

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

Методические указания подготовлены

на кафедре физики низких температур

Составители: Осадченко В.Х., Кандрина Ю.А.,

Волкова Я.Ю., Хейфец О.Л.

Утверждено

учебно-методической комиссией

физического факультета

Выполняя лабораторную работу «Фильтры высоких и низких частот», студенты знакомится с понятием амплитудно-частотных характеристик различных радиоэлектронных схем. В работе предусмотрено компьютерное моделирование реальных электрофизических процессов в электронных схемах с помощью программы Electronics Workbench (Инструментальные средства электроники) и проведение измерений на реальных приборах.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

ГЕНЕРАТОРЫ КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ

Частотные характеристики различных радиоэлектронных систем и приборов позволяют получить большой объем информации, характеризующей свойства и качества этих систем или устройств: суждение о полосе пропускания (быстродействии), качестве воспроизведения входных сигналов, о переходных процессах и т. д.

Если на вход исследуемого четырехполюсника А (рис. 1.1, а)подавать синусоидальное напряжение от генератора Г и с помощью вольтметров В ₁и В ₂ измерять входное U _вх и выходное U _выхнапряжения для ряда фиксированных частот f, то по полученным данным можно построить амплитудно-частотную характеристику этого четырехполюсника в виде зависимости K (f) = U _вых /U _вх(рис. 1.1, б). Величина К называется коэффициентом пропускания четырехполюсника.

Для упрощения построения АЧХ этим способом можно поддерживать постоянную амплитуду входного сигнала для разных частот. Тогда зависимость коэффициента пропускания четырехполюсника А от частоты будет такой же, как зависимость выходного напряжения от частоты:

при U (f) = U = const для любых f K (f) = U _вых (f)/U.

Рис. 1.1. Частотные характеристики электронных устройств: а) схема установки для снятия частотных характеристик электронных устройств (А– четырехполюсник, Г– генератор, В₁и В₂ – вольтметры) б) амплитудно-частотная характеристика четырехполюсника

Этот способ довольно прост, но слишком трудоемок и не используется в условиях, например, массового производства, при наладке сложных электронных устройств, при экспериментальном исследовании новых систем и т. д.

Для автоматизации процесса получения изображения частотных характеристик применяются генераторы, называемые генераторами качающейся частоты (ГКЧ), комбинация которых с электронным осциллографом позволяет визуально наблюдать частотную характеристику исследуемого устройства и ее изменение при вариации отдельных определяющих ее параметров. Структурная схема подобной системы показана на рис. 1.2, а, где также приведены временные диаграммы для исследования характеристик фильтра из двух связанных контуров. В этой схеме узел ГКЧ представляет собой генератор с автоматически перестраиваемой частотой, пределы изменения которой определяются типом исследуемой схемы, а закон изменения – законом модулирующего напряжения (рис. 1.2, б).

Модулирующее напряжение U _п, имеющее вид равнобокой «пилы», получаемое с выхода генератора ГП, одновременно используются для управления лучом трубки осциллографа по горизонтальной оси (рис. 1.2, б).

Если модуляционная характеристика ГКЧ линейна, то выходная частота будет также линейно изменяться на ±D около среднего значения f ₀ (рис. 1.2, в), за которое в данном случае принимается резонансная частота фильтра.

Рис. 1.2. Структурная схема измерителя частотных характеристик и временные диаграммы, поясняющие его работу: а) структурная схема измерителя частотных характеристик (ГКЧ – генератор качающейся частоты, Д – детектор, УНЧ – усилитель низкой частоты, ГП – генератор «пилы», ЭЛТ – электроннолучевая трубка) б) временная диаграмма модулирующего напряжения U _п в) временная диаграмма выходной частоты f г) временная диаграмма напряжения, снимаемого с контура U _к д) временная диаграмма напряжения, выпрямленного детектором U _Д

Напряжение U _к, снимаемое с контура и изменяющееся с частотой по закону резонансной кривой этого контура (рис. 1.2, г), выпрямляется детектором Д и после усилителя низкой частоты (УНЧ) подается на вертикально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки (ЭЛТ). Если перемещение луча по оси X будет изменяться по тому же закону, что и частота ГКЧ, то луч будет вычерчивать на экране изображение частотной характеристики в некотором масштабе (рис. 1.2, д).

Описанные ГКЧ очень часто используют для решения таких измерительных задач, как определение добротности колебательных систем, отбраковка резисторов на СВЧ, определение потерь и т. д.

Сочетание осциллографа с генератором качающейся частоты (свип-генератором) позволяет быстро, точно и наглядно получать на экране осциллографа частотные характеристики различных устройств. Применяющиеся для этой цели приборы называются измерителями амплитудно-частотных характеристик. Они относятся к подгруппе X, виду 1 и обозначаются X 1.

Напряжение генератора развертки поступает на горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки и одновременно – на генератор качающейся частоты. Последний подключен к входу испытуемого объекта, выход которого через детектор подается на вертикально отклоняющие пластины трубки. Напряжение развертки модулирует по частоте колебания, создаваемые генератором качающейся частоты, и одновременно отклоняет луч по горизонтали. Таким образом, горизонтальное отклонение луча происходит в такт с изменением частоты, поступающей на вход испытуемого объекта, и теперь горизонтальная линия на экране электроннолучевой трубки является не осью времени, как обычно, а осью частоты. Выходное напряжение испытуемого четырехполюсника зависит от частоты, и если после детектирования это напряжение подать на вертикально отклоняющие пластины осциллографа, то на его экране появится осциллограмма, представляющая зависимость выходного напряжения от частоты, т. е. амплитудно-частотная характеристика.

Форма изменения напряжений развертки и модулирующего может быть различной, но чаще всего она пилообразная или треугольная. В первом случае на экране видна одна частотная характеристика, во втором – две, являющиеся зеркальными относительно друг друга, благодаря чему легко и удобно сравнивать симметрию левой и правой ветвей характеристики.

Максимальное модулирующее напряжение определяет девиацию (отклонение) частоты, а его частота – частоту свипирования (повторения модуляции). Частота модуляции и развертки обычно низкая – 25, 50 или несколько сотен герц. Частота свип-генератора отклоняется от центральной либо при помощи реактивной лампы, либо изменением индуктивности катушки контура генератора. Последнее осуществляется путем изменения магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника катушки, помещенного в модулирующий магнитный поток.

K подобным приборам предъявляются следующие основные требования: большие пределы изменения центральной частоты, т. е. широкий диапазон частот; возможно большая девиация частоты; независимость девиации от настройки центральной частоты генератора; постоянство выходного напряжения генератора в пределах девиации частоты.

Промышленностью выпускается более десяти типов приборов для исследования частотных характеристик, перекрывающих почти весь используемый в радиосвязи и вещании диапазон частот (от 20 Гц до 1500 МГц). Некоторые низкочастотные приборы комплектуются двухкоординатным самопишущим потенциометром (например, типа ПДС-021), который позволяет записывать частотные характеристики на диаграммной бумаге.