Генераторы электрических сигналов

Генераторы электрических сигналов, используемые при реализации СИ различного назначения, можно разделить на две группы:

• — задающие генераторы, предназначенные для выработки высокостабильных электрических синусоидальных сигналов или сигналов сложной формы;
• — релаксационные генераторы сигналов в основном импульсной и пилообразной формы, предназначенные для выполнения различных преобразовательных функций.

Задающие генераторы, используемые в измерительной технике, по схемной реализации подразделяются на RC- и LC-генераторы и генераторы на биениях.

/?С-генераторы нашли наибольшее распространение в диапазоне до 300 кГц. Эго объясняется возможностью получения напряжения синусоидальной формы с низким коэффициентом гармоник в указанном диапазоне частот при сравнительно простых схемно-конструктивных решениях.

Принципы построения и функционирования AC-генераторов детально анализируются в специальных курсах. В данном учебном пособии рассмотрены лишь общие положения и особенности.

AC-генераторы обычно выполняют по схеме резистивно-емкостного усилителя, охваченного положительной частотно-зависимой и отрицательной частотно-независимой обратными связями.

Положительная обратная связь обеспечивает генерацию колебаний определенной частоты, а отрицательная — стабилизирует работу генератора во всем диапазоне генерируемых частот. Цепи положительной и отрицательной обратных связей обычно сбалансированы таким образом, что в замкнутом кольце устанавливается стационарный режим автоколебаний, минимальное значение которых не выходит за границу линейного участка вольтамперной характеристики усилителя.

Благодаря этому генерируемые колебания синусоидальной формы оказываются постоянными по амплитуде при перестройке частоты и имеют низкий уровень нелинейных искажений (до 1%).

В качестве активных элементов в AC-генераторах используют операционные усилители.

Генераторы типа LC наибольшее применение находят на высоких частотах. Частота генерируемых колебаний определяется выражением.

где С — емкость, [Ф];

L — индуктивность, [Гн1;

Q — добротность контура.

При высокой добротности колебательного контура выражение (1.9) вырождается в.

Следует отметить, что на низких частотах колебательная система таких генераторов оказывается громоздкой.

Высокая стабильность частоты генерируемых колебаний в регенераторах обеспечивается обычно за счет использования кварцевых резонаторов, параметрическими мерами (термокомпенсация, развязка питания и др.), термостатированием (помещением элементов схемы в объем с постоянным температурным режимом). При использовании всех указанных мер относительная нестабильность PCгенератора может быть снижена до 10″" .

Коэффициент гармоник, характеризующий форму генерируемого синусоидального сигнала, обычно составляет в РС-генераторах 1 …2%.

Схемно PC-генераторы обычно реализуют по трехточечной схеме, одно из сопротивлений которой образуется кварцевым резонатором.

Частота собственных колебаний кварца в измерительной технике выбирается обычно кратной десяти (100 кГц, 1 МГц, 5 МГц и т. д.).

В диапазоне частот 300…3000 МГц и выше колебательная система в РС-генераторах выполняется с использованием отрезков коаксиальных или волноводных линий.

Генераторы на биениях, как и /?С-генераторы, нашли применение в низкочастотном диапазоне частот. Это объясняется в основном двумя достоинствами таких генераторов:

• — высокой стабильностью колебаний по уровню, т. е. малой зависимостью выходного уровня сигнала от частоты;
• — непрерывным перекрытием всего диапазона частот генерируемых колебаний без коммутации.

Основой структурного построения генераторов на биениях являются два высокочастотных маломощных генератора (рис. 1.11). Один генератор работает на фиксированной опорной частоте /₀, а частоту /_пл второго задающего генератора можно плавно изменять в заданном диапазоне частот. Сигналы задающих генераторов усиливаются отдельными усилителями, что исключает влияние генераторов друг на друга. При подаче двух колебаний с разными частотами на входы смесителя на его выходе фильтром нижних частот выделяется сигнал разностной частоты F=f> —/_пл.

Например, в измерительном генераторе ГЗ-104 опорная частота /о = 400 кГц, частота f_m второго задающего генератора изменяется в пределах 400…360 кГц. Генерируемый диапазон частот генератора составляет0,02…40 кГц, причем перекрывается одним поворотом ротора конденсатора переменной емкости.

Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН) широко используются в различных СИ. С помощью ГЛИН осуществляется представление сигналов в реальном времени, спектральное разложение сигналов и другие функциональные преобразования.

Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током. Работу ГЛИН можно пояснить с помощью эквивалентной схемы, приведенной на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Эквивалентная схема ГЛИН.

Рис. 1. 11. Структурная схема генератора на биениях.

Напряжение U_c на обкладках конденсатора формируется путем его автоматического переключения с заряда на разряд и наоборот с помощью коммутирующего устройства. В соответствии с этой схемой, в зависимости от соотношения между постоянной времени заряда конденсатора т, = R_SC и постоянной времени его разряда т_р = /?_РС, линейное напряжение может быть получено как в процессе заряда, так и разряда. Кроме того, в зависимости от схемных решений ГЛИН линейное напряжение может быть нарастающим или падающим, положительным или отрицательным.

Пилообразное напряжение характеризуется следующими параметрами (рис. 1.13):

• — длительностью прямого хода 7],_р;
• — длительностью обратного хода Г_и6р;
• — размахом колебания U_m
• — периодом повторения Т_п
• — коэффициентом нелинейности рабочего участка.

Коэффициент нелинейности рабочего участка определяется относительным изменением крутизны на участке прямого хода:

Важнейшим требованием к ГЛИН является линейность пилообразного напряжения. Для линеаризации указанного напряжения распространение получили следующие способы:

• — использование начального участка экспоненциальной кривой заряда конденсатора;
• — заряд конденсатора через токостабилизирующее устройство;
• — компенсация напряжения заряда конденсатора;
• — применение интегрирующих звеньев.

Рис. 1.13. Временная диаграмма пилообразного напряжения

В современных радиоэлектронных изделиях широко используют интегрирующие звенья на основе операционных усилителей (рис. 1.14). Из уравнения интегрирующего звена [2].

Рис. 1.14. Интегратор на ОУ.

для рассматриваемой схемы следует, что при большом значении коэффициента усиления К и при = Е напряжение на выходе является линейной функцией времени:

На основе интегрирующих операционных усилителей разработаны генераторы развертки электронных осциллографов с высокой линейностью.