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 30кГц);
Ø километровые волны и низкие частоты (НЧ от 30 до 300кГц);
Ø гектометровые волны и средние частоты (СЧ от 300 до 3000кГц);
Ø декаметровые волны и высокие частоты (ВЧ от 3 до 30МГц);
Ø метровые волны и очень высокие частоты (ОВЧ от 30 до 300МГц);
Ø дециметровые волны и ультравысокие частоты (УВЧ от 300 до 3000МГц);
Ø сантиметровые волны и сверхвысокие частоты (СВЧ от 3ГГц до 30ГГц);
Ø миллиметровые волны и крайне высокие частоты (КВЧ от 30 до 300ГГц);
Ø децимиллиметровые волны и гипервысокие частоты (ГВЧ от 300 до 3000ГГц).
По частотному диапазону генераторы подразделяются на следующие виды:
Ø инфранизкочастотные (0,01Гц...20МГц);
Ø низкочастотные, или генераторы звукового диапазона (20Гц…300МГц);
Ø генераторы высоких частот (ВЧ — 0,3...300МГц);
Ø генераторы сверхвысоких частот (СВЧ — свыше 300МГц…30ГГц);
Ø генераторы крайневысоких частот (КВЧ — свыше 30ГГц…300ГГц).
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 Kо.с. В обобщенной структурной схеме участвуют комплексные амплитуды следующих напряжений:
Ø входное напряжение — Uвх;
Ø выходное напряжение — Uвых;
Ø напряжение обратной связи — Uo.c.
Выражение для напряжения обратной связи на любой частоте генерации запишем в следующем виде:
Uo.c = Uвх = Kо.сUвых. (9.1)
Тогда выходное напряжение Uвых = KUвх или с учетом выражения (9.1)
Uвых = Kо.сKUвх. (9.2)
Из формулы (9.2) следует, что автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии
KKо.с = 1. (9.3)
Если KKо.с > 1, то амплитуда выходных колебаний нарастает, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора. Выражение (9.3) можно разложить следующим образом:
K(ω) 
Kо.с(ω) 
= KKо.с 
= 1. (9.4)
В формуле (9.4) K(ω) = K и Kо.с(ω) = Kо.с — действительные значения коэффициента усиления собственно усилителя (без цепи обратной связи) и коэффициента передачи цепи положительной обратной связи; φk(ω) = φk и φkо.с(ω) = φkо.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
KKо.с = 1; (9.5)
Ø возникший в замкнутом контуре сдвиг фазы должен отвечать равенству
φk + φkо.с = 2πm, (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 Kо.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 2π. 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 100кГц), а RC-генераторы применяют для создания низкочастотных синусоидальных колебаний (от единиц герц до десятков килогерц).