Электротехника радиотехнические схемы

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

При исследованиях, испытаниях, измерениях параметров или характеристик различных радиотехнических схем, устройств и систем требуются источники испытательных и реальных сигналов самых разнообразных форм, частот и мощностей. Подавая эти сигналы в исследуемую аппаратуру, измеряют ряд параметров электрических колебаний, применяя источник в качестве меры (частота гармонического колебания, период следования импульсов, коэффициент модуляции); снимают амплитудно-частотные и переходные характеристики цепей, а также определяют коэффициент шума различных устройств; градуируют или тестируют измерительные приборы; запитывают измерительные линии при определении коэффициентов бегущей и стоячей волны, коэффициентов отражения и полных сопротивлений нагрузки СВЧ устройств. Такие источники различных колебаний называют измерительными генераторами сигналов.

Общие сведения

Измерительные генераторы сигналов (автогенераторы) — источники сигналов различных форм и частот, предназначенные для работы с радиоэлектронными схемами. Они имеют ряд принципиальных отличий от обычных генераторов: обладают возможностью точной установки и регулировки выходных параметров колебаний (частоты, формы и уровня напряжения или мощности) в широких диапазонах; имеют высокую стабильность параметров и встроенные измерительные приборы, позволяющие контролировать установки сигналов; могут работать совместно с другими средствами измерения и программного управления.

В зависимости от формы выходных сигналов различают измерительные генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. В спектре выходного сигнала генератора гармонических колебаний имеется одна или несколько гармоник. Выходные колебания релаксационного генератора содержат широкий спектр гармоник, имеющих соизмеримые амплитуды.

По частотному диапазону генераторы делятся на:

 инфранизкочастотные (0,01...20 Гц),

 низкочастотные, или генераторы звукового диапазона (20...300000 Гц),

 генераторы высоких частот (0,3...300 МГц),

 сверхвысокочастотные (СВЧ, свыше 300 МГц).

 Особую группу представляют генераторы случайных колебаний (сигналов) — измерительные генераторы шумовых сигналов. Отметим также генераторы псевдослучайных и линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН или свип-генераторы(от англ. sweep)). Такие генераторы используют как измерительные, так и в качестве генераторов разверток.

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

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

Рассмотрим условия самовозбуждения генератора гармонических колебаний. Для возбуждения и генерации колебаний часть их мощности с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подается на его вход по специально введенной цепи положительной обратной связи (ОС). Говоря иначе, подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генератором с самовозбуждением.

Механизм возникновения колебаний в генераторе можно упрощенно трактовать следующим образом. В момент запуска в колебательной системе самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, скачками токов и напряжений в усилительном приборе и т. д. Благодаря введению цепи положительной ОС часть энергии колебаний с выхода усилителя поступает на его вход. Из-за наличия узкополосной колебательной системы все описанные процессы происходят на одной частоте ω и резко затухают на других частотах.

Вначале, после включения питания генератора, усиление возникшего в колебательной системе сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента. В результате амплитуда выходных колебаний генератора достигает некоторого установившегося уровня и потом становится практически неизменной. Энергия, отбираемая от источника постоянного тока усилителем схемы за один период колебаний, оказывается равной энергии, расходуемой за то же время в нагрузке. В этом случае говорят о стационарном режиме работы генератора.

Генератор гармонических колебаний (как и колебаний любой формы и частоты) можно представить обобщенной структурной схемой, состоящей из нелинейного резонансного усилителя с комплексным коэффициентом усиления К=K(jω) и цепи положительной ОС с комплексным коэффициентом передачи по напряжению . В представленной схеме генератора отмечены комплексные амплитуды следующих напряжений: входного — UBX = UBX(jω); выходного — UBЫX = UBЫX(jω); и обратной связи— Uос = Uос(jω);.

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

Тогда выходное напряжение определяется как Uвых = KUbx, или с учетом формулы (6.1), Uвых= KβUвых. Отсюда следует, что автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии, когда

Если Kβ > 1, то амплитуда выходных колебаний нарастает, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора. Представим формулу (6.2) следующим образом:

Здесь показатели К(ω) = К и β(ω) = β — действительные значения коэффициента усиления собственно усилителя (без цепи ОС) и коэффициента передачи цепи положительной ОС;   и  — фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем и цепью положительной ОС на текущей частоте ω.

В теории генераторов (6.3) представляют двумя равенствами:

(6.4, 6.5)

где Кос — коэффициент усиления усилителя с цепью положительной обратной связи;

n = 0,1,2,3,...

Соотношение (6.4) определяет условие баланса амплитуд в автогенераторе. Из него следует, что в стационарном режиме на генерируемой частоте коэффициент усиления усилителя с обратной связью Кос = 1.

Равенство (6.5) характеризует условие баланса фаз. Оно показывает, что в стационарном режиме суммарные фазовые сдвиги сигнала на частоте генерации, создаваемые усилителем и цепью положительной ОС, должны быть равны нулю или кратны 2π. Следует отметить, что только условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний. В схемах генераторов гармонических колебаний, работающих в стационарном режиме, соотношения (6.4) и (6.5) выполняются на одной фиксированной частоте ω, которая является резонансной для узкополосной колебательной системы. При работе автогенератора негармонических колебаний условия (6.4) и (6.5) должны выполняться для некоторой полосы частот.

В генераторах гармонических колебаний колебательными системами служат резонансные LС-контуры (в СВЧ-генераторах для этих целей используются резонаторные системы) и частотно-зависимые (фазирующие) RС-цепи. Генераторы гармонических колебаний с LC-контурами называются LC-генераторами, а с фазирующими RС-цепями — RC-генераторами. LC-генераторы вырабатывают колебания достаточно высокой частоты (более 100 кГц), а RС-генераторы применяют для создания низкочастотных гармонических колебаний (от долей герц до десятков килогерц).

Электротехника ТОЭ типовые задания примеры Лабораторные