Серийные аналоговые функциональные генераторы – ЧАСТЬ 2

February 13, 2012 by admin Комментировать »

Управление генераторами удобное и осуществляется с помощью кнопок и переменных резисторов со своими переключателями (выдвигаемые ручки). Частота сигналов меняется с помощью многооборотного резистора, оснащенного ручкой с верньером и шкалой. Это позволяет достаточно точно устанавливать нужную частоту. Сама шкала имеет чисто символический характер, и контроль частоты осуществляется цифровым частотомером. Поскольку функциональный генератор аналоговый, то искажения формы сигналов, связанные с дискретизацией, отсутствуют.

Была практически оценена работа функционального генератора MSG-9810А Учи- тываядовольно высокие частоты (до 10 и даже 16 МГц) сигналов, для этого применялся цифровой широкополосный (250 МГц) осциллограф DS-1250 фирмы EZ Digital, подключенный по USB-интерфейсу к компьютеру. Применение такого комплекса позволяет не только наблюдать форму сигналов испытуемого генератора без искажений, ной получить в цифровой форме данные о десятке параметров сигналов по двум каналам.

На рис. 3.29 показано окно с осциллограммами синусоидального и TTL сигналов на частоте генератора, равной 1 МГц. На синусоиде слабо видны признаки ее дискретизации цифровым осциллографом. Но в целом форма синусоиды весьма близка к идеальной (коэффициент гармоник нормируется на уровне менее 1% на частоте 1 кГц). Неплохо выглядит и TTL сигнал. Данные измерений различных амплитудных и временных параметров представлены внизу окна.

На рис. 3.30 и 3.31 показаны осциллограммы треугольного и прямоугольного сигналов на той же частоте. Можно сделать вывод о вполне хорошей форме сигналов на частотах порядка 1 МГц. Это оправдывает наличие "низкочастотной" модели MSG- 9802Д у которой нижняя граничная частота равна 0,1 Гц и гарантируется хорошая форма сигналов до предельной частоты в 2 МГц.

Максимальные частоты даже куда более дорогих функциональных генераторов других фирм редко превосходят 3—5 МГц. Поэтому, как немаловажное достоинство приборов фирмы МЕТЕХ MSG-9810Ah MSG-9816Д можно отметить максимальные частоты сигналов в 10 и даже 16 МГц. Это резко расширяет их возможности в тестировании и наладке современных импульсных, радиоприемных и иных устройств.

Разумеется, ждать идеальной формы сигналов на таких частотах не приходится. Это подтверждают осциллограммы на рис. 3.32 для генератора MSG-9810A для его предельной частоты в 10 МГц. Тем не менее, нетрудно заметить, что даже на этой частоте треугольный сигнал имеет удовлетворительную форму со слегка скругленными верхушками. Форма прямоугольных импульсов, увы, далека от идеальной, как на TTL, так и на основном выходах. Для ее улучшения рекомендуется подключать к выходу согласованную нагрузку в 50 Ом.

Как уже отмечалось, у генераторов есть возможность регулировки асимметрии сигналов — отношение длительности полупериодов примерно от 1/3 до 3/1 и более (рис. 3.33). Введение асимметрии позволяет получать линейно-нарастающие и линей- но-спадающие сигналы, а также сигналы прямоугольной формы со скважностью, заметно отличающейся от 2 (это значение характерно для меандра). Это также расширяет области применения прибора, например, позволяет использовать его в качестве генераторов развертки и запускающих импульсов.

Рис. 3.29. Окно с осциллограммами синусоидального и TTL сигналов на частоте 1 МГц

Наряду с основным выходом OUT (амплитуда сигнала 20 В без нагрузки и 10 В на согласованной нагрузке 50 Ом) предусмотрен выход TTL для несимметричных почти прямоугольных импульсов с параметрами, характерными для TTL микросхем. При выдвижении ручки регулировки амплитуды включается аттенюатор, ослабляющий сигнал в 10 раз (20 дБ).

Для точного контроля частоты сигналов функционального генератора необходим цифровой частотомер. Поэтому вполне естественно объединение в одном приборе серии MSG функционального генератора и цифрового частотомера. Частотомер описываемых приборов имеет два канала. Канал А обеспечивает измерение частот до 20 МГц с высокоомным входом (1 МОм, максимальное напряжение от пика до пика 35 В), а канал В частот от 20 МГц до 2,7 ГГц на 50-омном входе (максимальное напряжение от пика до пика 3 В). Измерение частот производится подсчетом числа периодов сигналов в интервалах времени 0,1,1 и 10 секунд. Это соответствует разрешению по частоте 10, 1 и 0,1 Гц. Результаты измерения частоты сигналов или функционального генератора отображаются на 8-разрядном цифровом индикаторе (с белым или красным цветом цифр). Для канала А предусмотрена возможность подачи сигнала с выхода функционального генератора (для контроля его частоты) или с входа СН-А.

Рис. 3.30. Осциллограммы прямоугольного и TTL сигналов на частоте 1 МГц

Рис. 3.31. Осциллограммы треугольного и TTL сигналов на частоте 1 МГц

3.4.5. Программа стыковки приборов МЕГЕХ с компьютером

Для своих мультиметров и частотомеров, в том числе входящих в комбинированные приборы, компания МЕТЕХ поставляет программу BenchView, которая позволяет вводить данные измерений частоты в компьютер и отображать их в табличной и графической форме. Разумеется, это возможно после подключения приборов к компьютеру с помощью прилагаемого интерфейсного RS-232 кабеля и после установки программного обеспечения с дискеты.

Рис. 3.32. Осциллограммы треугольного и TTL сигналов на частоте 10 МГц

Рис. 3.33. Осциллограммы треугольного и TTL сигналов на частоте 1 МГц с максимальной асимметрией

На рис. 3.34 представлено основное окно программы при работе с цифровым частотомером приборов серии MSG. Работа с окном вполне очевидна, как и назначение деталей его интерфейса пользователя.

В позиции WindowScale меню программы можно задать или убрать вывод того или иного частичного окна. Для примера на рис. 3.35 представлено окно графика. Оно позволяет наблюдать график зависимости частоты от времени, подобный показанному на рис. 3.34 в укрупненном виде. В этом окне можно поменять пределы отображаемых частот и подтвердить это активизацией кнопки Range Change. В правой части сверху окна на рис. 10 можно задать интервал времени измерений и интервал их повторений (по умолчанию 1 с).

Рис. 3.34. Основное окно программы Bench View при работе с цифровым частотомером приборов серии MSG

3.4.6. Измерительные комплексы MS-9160/9170 фирмы МЕГЕХ

Компания МЕТЕХ выпускает также измерительные комплексы MS-9150, MS-9160 и MS-9170. Эти приборы объединяют в одном корпусе сразу 4 прибора: аналоговый функциональный генератор, цифровой частотомер, универсальный цифровой мульти- метр и трехканальный источник питания. Варианты оформления приборов (с темной и светлой передними панелями) представлены на рис. 3.36.

Нельзя не отметить, что стоимость комплекса заметно ниже стоимости отдельно приобретаемых приборов, аналогичных по параметрам. Таким образом, приобретение комплексов экономит не только место на рабочем столе пользователя, но и его средства.

Мультиметр комплексов имеет свой дисплей, служит для измерения следующих параметров электрических сигналов:

•          Дисплей 3 % разряда (максимальное показание 3999) + дополнительный дисплей + линейная шкала (у MS-9170 дисплей 5 ЪА разряда).

•       Режим "Data hold" (сохранение данных на дисплее).

Рис. 3.35. Окно графика зависимости частоты от номера отсчета (времени)

•          Диапазоны измерения постоянного напряжения: DCV400 мВ — 4 — 40 — 400 — 1000 В.

•          Диапазоны измерения переменного напряжения: АСУ 400 мВ — 4 — 40 — 400 — 750 В.

•     Диапазоны измерения постоянного тока: DCI 4 — 40 — 400 мА — 4 А, 20 А.

•     Диапазоны измерения переменного тока: ACI 4 — 40 — 400 мА — 4А — 20 А.

•          Диапазоны измерения сопротивления: 200 Ом — 4 — 40 — 400 кОм — 4 — 40 МОм.

•      Измерение индуктивности: 40—400 мГн (только у MS-9160).

•      Тест диодов и транзисторов — есть (только у MS-9150).

•          Режим прозвона цепей на проводимость со звуковым сигналом < 40 Ом — есть (только у MS-9150).

•      Питание: от внутреннего источника.

Функциональный генератор и частотомер у этих приборов совершенно аналогичны примененным в приборах серии MSG и описанным выше. Аналогично и применяемое программное обеспечение.

Рис. 3.36. Измерительные комплексы серии MS фирмы МЕТЕХ

Стоимость измерительных комплексов от 17 до 20 тысяч рублей. Это заметно меньше, чем стоимость отдельно приобретаемых приборов, входящих в комплекс. Масса комплекса довольно большая — 15 кг, что связано с включением в него лабораторных источников питания. Размеры приборов 375x370x165 мм.

Приборы не лишены недостатков. Так, в функциональных генераторах нет выхода развертки, управляющей качанием частоты, что усложняет построение на них измерителей АЧХ. Достаточно сложна точная установка частоты по показаниям цифрового частотомера. Приведенные в инструкциях параметры приборов не дают полного представления об их возможностях и конкретных значениях параметров. Прилагаемое программное обеспечение примитивно и явно недоработано. В связи с этим некоторые возможности приборов (например, компьютерная обработка результатов вычислений) остаются не полностью реализованными.

3.4.7. Функциональные генераторы MFG-82**A фирмы MATRIX

Фирма MATRIX выпускает серию аналоговых функциональных генераторов. Это сравнительно дешевые приборы с умеренными техническими характеристиками. Базовой моделью является генератор MFG-8215A, внешний вид которого представлен на рис. 3.37. Заданный общий диапазон частот перекрывается ручкой плавного изме-

Рис. 3.37. Внешний вид функционального генератора MFG-8215A

Технические данные функционального генератора MFG-8215A

•    Диапазон частот 0,3 Гц — 3 МГц.

•          Два прибора в одном корпусе: функциональный генератор и генератор импульсов.

•     Сигналы: синусоидальный, пилообразный, треугольный и прямоугольный.

•     Режим качания частоты от внешнего источника напряжения от 1:1 до 100:1.

•          Малая неравномерность АЧХ: менее 0,3 дБ в диапазоне частот 0,3 Гц — 300 кГц и менее 0,5 дБ в диапазоне частот 300 кГц — 3 МГц.

•          Регулировка симметрии для пилообразных и импульсных сигналов, инверсия сигналов.

•     Генерация сигналов с уровнями микросхем ТТЛ и КМОП.

•     Регулируемое смещение по постоянному напряжению.

•     Плавный и двухступенчатый (2×20 дБ) аттенюаторы.

Генератор MFG-8216A совмещает в одном корпусе уже три прибора: функциональный генератор, генератор импульсов и цифровой частотомер. Внешний вид прибора показан на рис. 3.38.

Цифровой частотомер этого прибора имеет следующие характеристики:

•          6 разрядов с максимальной частотой до 100 МГц для внутренних и внешних сигналов.

•          Стабильность опорного кварцевого генератора частотомера: 0,002% (23° С + 5° С) после 30 минут прогрева.

нения частоты и кнопками, переключающими диапазоны частот. Отношение максимальной частоты к минимальной составляет миллион раз!

•     Погрешность измерения частоты: не выше 0,002% + 1 ед. младшего разряда.

Рис. 3.38. Внешний вид функционального генератора MFG-8216A

Генератор MFG-8219A имеет функции еще одного прибора — генератора качающейся частоты. Эта функция реализована и в уже описанных приборах, но только при использовании внешнего входа для управляющего напряжения. Генератор MFG- 8219А реализует ее и от внутреннего генератора. Внешний вид генератора показан на рис. 3.39.

Рис. 3.39. Внешний вид функционального генератора MFG-8219A

У генератора MFG-8219A есть также функции осуществления амплитудной и частотной модуляции. Эти функции характеризуются следующими дополнительными параметрами:

•     Глубина качания частоты от внешнего источника напряжения от 1:1 до 100:1.

•     Глубина качания частоты от внутреннего генератора до 100:1.

•     Время качания от внутреннего генератора: от 0,5 до 30 с.

•     Режим качания: линейный/логарифмический.

•          Амплитудная модуляция: глубина: 0—100%, частота: внутренняя 400 Гц, внешняя 0-1 МГц.

Частотная модуляция: глубина 0—+ 5%, частота: внутренняя 400 Гц, внешняя 0-20 кГц.

3.4.8. Функциональные генераторы фирмы EZ Digital

Японская фирма EZ Digital известна разработкой и производством цифровых измерительных приборов вполне умеренной стоимости. Выпускает она и ряд моделей функциональных генераторов.

На рис. 3.40 показан внешний вид функционального генератора FG-7002C. Это самый простой из генераторов данного класса фирмы EZ Digital. Помимо функционального генератора с функциями свип-генератора прибор имеет встроенный цифровой частотомер. На приборы дается гарантия в 2 года.

Рис. 3.40. Внешний вид функционального генератора FG- 7002С

Основные параметры функционального генератора FG-7002C следующие:

•     Диапазон частот 0,02 Гц — 2 МГц.

•          4 в 1: свип-генератор, функциональный генератор, генератор импульсов и частотомер.

•          Синусоидальный, пилообразный, треугольный и импульсный сигналы на выходе.

•     Встроенный частотомер до 50 МГц для внутренних и внешних сигналов.

•     Режим качания частоты с внутренним и внешним управлением от 1:1 до 100:1.

•          Низкие искажения для синусоидальных сигналов: менее 1% в диапазоне 0,2— 100 кГц.

•     Регулировка симметрии для пилообразных и импульсных сигналов.

•     Сигналы с уровнями ТТЛ и КМОП.

•     Регулируемое смещение по постоянному напряжению.

•     Плавный и ступенчатый (-20 дБ) аттенюаторы.

Функциональный генератор FG-7005C имеет расширенный диапазон частот сверху — до 5 МГц. Внешний вид этого генератора аналогичен показанному на рис. 3.40. Основные технические характеристики (кроме верхнего значения частоты) аналогичны приведенным для генератора FG-7005C.

Функциональный генератор FG-8002 — самый простой и дешевый из серии таких приборов фирмы EZ Digital. Он имеет упрощенный корпус (рис. 3.41) и в нем нет встроенного цифрового частотомера.

Рис. 3.41. Внешний вид функционального генератора FG- 7002С

Основные характеристики генератора FG-7002C:

•     Диапазон частот 0,02 Гц — 2 МГц.

•          Синусоидальный, пилообразный, треугольный, прямоугольный и импульсный сигналы на выходе.

•     Режим качания частоты с внутренним и внешним управлением от 1:1 до 100:1.

•          Низкие искажения для синусоидальных сигналов: менее 1 % в диапазоне 10 Гц — 100 кГц.

•     Регулировка симметрии для пилообразных и импульсных сигналов.

•     Сигналы с уровнями ТТЛ.

•     Регулируемое смещение по постоянному напряжению.

•     Плавный и ступенчатый (-20 дБ) аттенюаторы.

Наиболее продвинутым (и дорогим) является функциональный генератор FG- 7020 с встроенным цифровым частотомером, измеряющим частоты до 3 ГГц. Прибор имеет следующие характеристики:

•     Диапазон частот 0,2 Гц — 20 МГц.

•          4 в 1: свип-генератор, функциональный генератор, генератор импульсов и частотомер.

•          Синус, ассиметричный синус, "пила", треугольный и импульсный сигналы на выходе.

•          Встроенный 8-разрядный частотомер для внутренних и внешних сигналов, стабильность ±1х10"6: – входА 0.1 Гц – 100 МГц – вход С: 80 МГц – 3 ГГц.

•          Режим качания частоты с внутренним и внешним управлением от 1:1 до 10:1, 0,5 Гц ~50 Гц.

•          Низкие искажения для синусоидальных сигналов: менее 1% в диапазоне 0,2 Гц — 100 кГц.

•          Регулировка симметрии для синусоидальных, пилообразных и импульсных сигналов.

•     Сигналы с уровнями ТТЛ.

•     Регулируемое смещение по постоянному напряжению.

•     Плавный и ступенчатый (-20 дБ) аттенюаторы.

3.4.9. Функциональный генератор VC2002 фирмы VICTOR

Простой функциональный генератор VC2002 с индикацией частоты цифровым частотомером выпускает фирма VICTOR. Внешний вид прибора представлен на рис. 3.42. Это самый недорогой из имеющихся на рынке функциональных генераторов. Это делает его идеальным выбором для школ и радиолюбителей. Он может использоваться в составе лабораторных работ или как самостоятельный прибор. Основные характеристики прибора:

•     Диапазон частот 0,2 Гц — 2 МГц.

•          8-разрядный цифровой дисплей (включая 3 разряда для индикации напряжения).

•     Одновременная индикация частоты и напряжения сигнала.

•     Синусоидальный, треугольный и прямоугольный сигналы на выходе.

•     Регулировка симметрии 20-80%.

•     Диапазон выходных напряжений (без аттенюатора) 0,9—10 В.

•     Дополнительные ступенчатые аттенюаторы (-20 дБ и -40 дБ)

•     Напряжение питания 110/220 В + 10%.

Рис. 3.42. Внешний вид функционального генератора VC2002

3.4.10. Функциональные генераторы АКТАКОМ

Под торговой маркой АКТАКОМ фирма "Элике" поставляет на наш рынок серию современных аналоговых функциональных генераторов АНР [ 126]. Ниже представлены краткие описания этих приборов. Более подробное описание можно найти на интер- нет-сайте этой фирмы.

АНР-1001/АНР-1002

Функциональный генератор с встроенным цифровым частотомером (диапазон частот от 5 Гц до 10 МГц). Внешний вид генератора показан на рис. 3.43. Сигналы: синус, треугольник, меандр, ТТЛ, с качающейся частотой; генерируемые частоты 0,01 Гц… 10 МГц; амплитуда выходного сигнала 0… 10 В; скорость качания 0,2… 100 Гц; глубина качания 1×1.. .1×1000; дополнительные функции: встроенный частотомер 5 Гц.. .50 МГц, аттенюатор, качание по линейному и логарифмическому закону, возможность "качания внешним источником"; 220 В; габариты 261x71x211; масса 1,8 кг. Более простой (и дешевый) вариант АНР-1002 имеет аналогичные параметры, но не имеет встроенного цифрового частотомера.

Рис. 3.43. Внешний вид функционального генератора АКТАКОМ АНР-1001

АНР-1003

Функциональный генератор с встроенным цифровым частотомером (диапазон частот от 5 Гц до 50 МГц). Сигналы: синус, треугольник, меандр, ТТЛ, качание частоты; генерируемые частоты 0,01 Гц.. .15 МГц (7 диапазонов); амплитуда выходного сигнала 250 мВ. ..10 В; скорость качания 0,2.. .100 Гц; частотная и фазовая модуляция; дополнительные функции: аттенюатор, возможность "качания внешним источником"; 220 В; габариты 261x71x211; масса 3 кг.

АНР-1012

Функциональный генератор с развитыми функциями генератора качающейся частоты. Сигналы: синус, треугольник, прямоугольник, асимметричная синусоида, ТТЛ, качание частоты; генерируемые частоты 0,2 Гц.. .20 МГц (8 поддиапазонов); амплитуда выходного сигнала 500 мВ. ..10В (для нагр. 50 Ом), 500 мВ.. .20 В (без нагрузки); частота качания 0,2.. .50 Гц; дополнительные функции: аттенюатор, возможность "качания внешним источником", встроенный частотомер 0,1 Гц…З ГГц; 220 В; габариты 240x280x90 мм; масса 3 кг.

3.4.11. Заключительные замечания по аналоговым функциональным генераторам

Как видно из представленного выше материала, функциональные генераторы аналогового типа продолжают успешно совершенствоваться, хотя темпы этого трудно назвать большими. Максимальные частоты генерации у недорогих современных генераторов выросли всего в несколько раз, достигнув вместо 1 МГц значений 2—3 МГц и реже 5 МГц. Однако прогресс в элементной базе привел к значительному сокращению размеров этих приборов и уменьшению их массы до 1,5—2 кг. В несколько раз уменьшилась и потребляемая генераторами от сети переменного тока мощность.

Явно не оправдались надежды на повышение верхних генерируемых частот до примерно 100 МГц. На самом деле максимальные частоты серийных генераторов редко достигают 15—20 МГц. И дело здесь оказалось вовсе не в ограничении схемотехники и элементной базы, а в неудовлетворительной стабильности частоты, которая генерируется автоколебательными релаксационными устройствами, составляющими основу функциональных генераторов аналогового типа. Если нестабильность частоты в доли процента удовлетворительна на частотах до нескольких МГц (и то не всегда), то на частотах в десятки МГц такая нестабильность становится совершенно неудовлетворительной при отладке большинства узкополосных устройств радиодиапазона. К примеру, отладка коротковолновых профессиональных радиоприемных устройств с амплитудной модуляцией при такой нестабильности становится довольно проблематичной, так как полоса пропускания их составляет всего 5—8 кГц.

Практически не удалось заметно продвинуться и в решении другой проблемы — получении малых коэффициентов искажений и синусоидальных сигналов, получаемых нелинейным преобразованием треугольных сигналов. У большинства серийных функциональных генераторов аналогового типа коэффициент нелинейности имеет порядок 1% и очень редко доходит до 0,2%. Между тем, у генераторов для отладки современных высококачественных усилителей мощности низкой (например, звуковой) частоты он должен быть порядка 0,001% и даже меньше.

Сказанное не позволяет надеяться на существенное улучшение параметров аналоговых функциональных генераторов в ближайшие годы, хотя совершенствование специализированных интегральных микросхем для их построения далеко не исчерпало свои возможности. Очевидно, что существенный прогресс в совершенствовании функциональных генераторов становится возможным при переходе на методы цифрового синтеза генерируемых сигналов. Этому посвящены следующие разделы этой главы.

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