Пути улучшения параметров генераторов синусоидальных сигналов

February 2, 2012 by admin Комментировать »

Измерительные аналоговые генераторы, в том числе генераторы стандартных сигналов (ГСС), требуют принятия определенных мер по стабилизации частоты и амплитуды синусоидального сигнала и уменьшению его искажений. Кроме того, нередко требуется обеспечение довольно широкого диапазона изменения частоты.

Низкочастотные (звукового и ультразвукового диапазонов частот) аналоговые измерительные генераторы строятся на основе трех основных типов:

•          генераторы на биениях, содержащие два LC-генератора (один с фиксированной частотой, другой с плавно изменяющейися) и смеситель для выделения разностной частоты;

•          генераторы на основе избирательной ЛС-цепи того или иного типа (RC-генераторы);

•          генераторы на основе преобразователей треугольного напряжения в синусо- дальный сигнал (аналоговые функциональные генераторы).

Первый тип генераторов был довольно известен еще в 50—60-х годах прошлого века. Однако его главный недостаток — низкая стабильность разностной частоты (особенно самой низкой) преодолеть не удалось и выпуск таких генераторов повсеместно был прекращен. Основное достоинство (а часто недостаток) таких генераторов — перекрытие всего диапазоны частот (например, от 20 Гц до 20 кГц) без разбивки его на поддиапазоны. Это до сих пор используется генераторах качающейся частоты, причем не только низкочастотных, но и высокояастотных.

Основным типом НЧ-генераторов стали описанные выше ЛС-генераторы. Как отмечалось, их стабильность примерно на порядок хуже стабильности ХС-генераторов. Не вдаваясь слишком далеко в теорию автогенераторов, все же отметим, что стабильность их частоты зависит от параметра Q=f0/2Af— добротности избирательной цепи ИЦ, где 2Д/— полоса пропускания, оцениваемая по спаду резонансной кривой на 3 дБ по обе стороны от частоты резонанса^ (или квазирезонанса для ЛС-цепей). Чем выше добротность и меньше полоса пропускания, тем меньше изменяется частота генерации, на которой соблюдаются условия баланса фаз и амплитуд. Изменение частоты может быть обусловлено также изменением фазы усилителя или ИЦ вследствие изменения температуры, напряжения питания и иных факторов.

У избирательных ЛС-цепей Q< 1 и это указывает на из принципиально высокую нестабильность частоты. Определенные проблемы вызывает стабилизация амплитуды синусоидальных колебаний у таких генераторов при одновременном снижении времени установления амплитуды с заданной точностью. В этом случае описанная выше инерционная обратная связь с помощью термистора или лампы накаливания оказывается недостаточно эффективной из-за больших постоянных времени изменения сопротивления этих приборов. Генераторы приходится усложнять введением электронной стабилизации амплитуды выходного сигнала. Однако в этом случае труднее получить малые коэффициенты нелинейных искажений.

Аналоговые функциональные генераторы обеспечивают широкий диапазон перестройки по частоте, возможность электронного управления частотой и малое время установки амплитуды при перестройке частоты сигналов. Однако они имеют серьезный недостаток — высокий коэффициент нелинейных искажений. Поэтому полноценную замену RC-генераторов функциональные генераторы не обеспечивают.

У резонансных ХС-контуров Q лежит в пределах от нескольких десятков до сотен. Так что по стабильности частоты ХС-автогенераторы, как правило, намного превосходят ЛС-генераторы. Однако для получения высокой стабильности частоты нужны соответствующие конструктивные меры, например применение катушек индуктивности с обмоткой, полученной вжиганием серебра в керамический каркас или изготовление обмотки методом электролитического осаждения серебра. Помимо этого используются и другие методы улучшения стабильности частоты ХС-генерато- ров. Они сводятся:

•          к выбору высокостабильных компонентов — индуктивностей X и конденсаторов С;

•          применению температурной компенсации, когда, к примеру, положительный температурный коэффициент изменения индуктивности компенсируется отрицательным температурным коэффициентом емкости конденсатора;

•          применение термостатов обеспечивающих постоянство рабочей температуры как в целом генератора, так и его резонаторов (например, кварца или ХС-конту- ра);

•     использованию схем автоматической подстройки частоты;

•          применению буферных усилительных каскадов (эмиттерных повторителей, каскадов на полевых транзисторах с высоким входным сопротивлением, усилителей на широкополосных операционных усилителях и др.).

Большинство аналоговых измерительных ХС-генераторов строится на основе схемы ХС-генератора с буферным резонансным каскадом. Применение такого каскада резко снижает искажения формы сигнала из-за его ограничения в ХС-генераторе и уменьшает влияние на LC-генератор нагрузки. Кроме того, это позволяет легко модулировать сигнал по амплитуде изменением напряжения питания буферного усилителя. Как правило, применяются и цепи автоматической стабилизации уровня выходного напряжения путем сравнения выпрямленного напряжения сигнала с опорным постоянным напряжением, усиление ихразности и воздействием ее на регулирующий элемент, изменяющий напряжение питания буферного каскада [133]. Изменение опорного напряжения по закону НЧ модулирующего сигнала позволяет легко осуществлять амплитудную модуляцию с достаточно линейной модуляционной характеристикой.

Такие генераторы, как правило, используют для смены диапазонов частот переключение катушек индуктивности и (для плавного изменения частоты) сдвоенный воздушный конденсатор переменной емкости. Плавная перестройска частоты возможно до 2—3 раз. Поэтому для перекрытия диапазона частот от 100 кГц до 35—50 МГц приходится использовать до 5—10 поддиапазонов частот.

На выходе буферного каскада ГСС высоких частот включается измеритель выходного напряжения, низкоомный переменный резистор (потенциометр) для плавной регулировки сигнала и прецизионный делитель выходного напряжения — аттенюатор. Для осуществления частотной модуляции используется электрически управляемый конденсатор — варикап.

Принятие всех этих мер, или даже их части, ведет к существенному усложнению полных схем ВЧ-генераторов (и тем более СВЧ) стандартных сигналов. Разумеется, для питания электронных узлов таких генераторов приходится использовать стабилизированные источники питания. Разбор конкретных схем измерительных генераторов выходит за рамки данной книги. Тем более в связи с тем, что выпуск измерительных генераторов на основе ХС-генераторов в последнее время резко сокращается и они заменяются с генераторами на основе синтезаторов частоты и прямого цифрового синтеза формы сигналов. Они лишены недостатков аналоговых ГСС.

Минимальный уровень выходного сигнала таких генераторов часто составляет доли мкВ. В таких условиях уровень наводок оказывается выше уровня сигнала. Поэтому в конструкции ВЧ ГСС приходится использовать тщательную (порою даже двойную) экранировку, применять литое шасси с вырезами для узлов генератора и т. д. Все это, как и необходимость применения большой шкалы для достаточно точного отсчета частоты и верньера для ее точной установки заметно усложняет конструкцию генераторов и ведет к увеличению их габаритов и веса.

Несмотря на все эти меры и конструктивные решения нестабильность частоты у таких генераторов не удается снизить до уровня примерно 10"4 (0,01%). Этого достаточно для испытания обычных радиоприемных устройств диапазонов длинных, средних и коротких волн. Однако для современных магистральных КВ-радиоприемников с узкополосными трактами телеграфной и телетайпной связи нестабильность частоты должна быть на 1—2 порядка ниже, т. е. быть порядка 10"6 — 10"5. Для этого приходится применять уже генераторы другого типа — на основе частотного синтеза и прямого цифрового синтеза формы сигналов. Такие генераторы описаны ниже.

Самую высокую стабильность частоты дают кварцевые генераторы с кварцевым резонатором, добротность которого достигает сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Для получения особо стабильных частот используются кварцевые генераторы, размещенные в термостате, или даже молекулярные генераторы эталонных частот. Однако, такие генераторы строятся на одну или несколько частот.

Для получения широкого диапазона частот (вплоть до СВЧ) используются описанные далее методы цифрового синтеза частот или генераторы на основе прямого цифрового синтеза сигналов заданной (в том числе синусоидальной) формы. Эти генераторы строятся на основе больших и сверхбольших интегральных микросхем (БИС и СБИС). Они содержат многие тысячи и даже миллионы транзисторов. Рассмотрение таких устройств возможно только на функциональном уровне, что и сделано в последующих главах данной книги.

Источник: Дьяконов В. П.  Генерация и генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — М. : ДМК Пресс, 2009. — 384 е., ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты