Генераторы синусоидальных сигналов

March 14, 2012 by admin Комментировать »

В этой главе описаны техника генерации и генераторы сигналов синусоидальной формы — как немодулированных, так и модулированных. Эти сигналы широко применяются при тестировании различных радиоэлектронных устройств. Наряду с классическими вариантами таких устройств (LC-, RC- и кварцевых генераторов) описаны новые методы генерации сигналов путем частотного синтеза и прямого цифрового синтеза синусоидальных колебаний с высочайшей стабильностью частоты и высоким ее разрешением. Приведены данные по промышленным генераторам сигналов, генераторам качающейся частоты и гетеродинным индикаторам резонанса.

1.1. Основные типы сигналов и их параметры

Ш. Сигналы постоянного уровня

Термин "сигнал" происходит от слова signum (знак), где знак подразумевается не в смысле полярности напряжения или тока, а в информационном смысле — сигналы являются переносчиками неких знаков, образующих информационную основу (алфавит) передаваемых сообщений. Строго говоря, это означает, что постоянный ток /=const или напряжение £/=const, как и иные представления стационарных процессов, параметры которых не меняются во времени, к сигналам не относятся.

Тем не менее, мы будем относить постоянный ток к простейшим сигналам, которые несут определенную информацию: полярность напряжения или тока и их величина — напряжение в вольтах или ток в амперах. Не стоит также забывать о том, что в природе нет чисто стационарных явлений, все процессы медленно или быстро меняются.

Сами по себе постоянные напряжения и токи в качестве сигналов по существу не используются, хотя манипуляция (прерывание постоянного тока) использовалась в первых телеграфных аппаратах. Но постоянные напряжения и токи, как правило, подмешиваются к сигналам (синусоидальным или импульсным) и задают их смещение по вертикали — Offset. Поэтому знать их основные характеристики необходимо.

1.1.2. Источники постоянного напряжения и тока

Разумеется, сигнал постоянного уровня может иметь любую физическую природу, например, представлять давление атмосферы, температуру окружающей среды и т. д. Однако в дальнейшем мы ограничимся рассмотрением только источников постоянного напряжения и тока.

Источники напряжения и тока принято подразделять на первичные (например, химические элементы) и вторичные (например, выпрямители напряжения питающей цепи), на идеальные и реальные источники.

Реальные источники постоянного напряжения характеризуется эквивалентной ЭДС Е и эквивалентным сопротивлением Rrj. Реальный источник напряжения можно описать эквивалентной схемой (рис. 1.1, а), содержащей последовательно включенные источники электродвижущей силы (ЭДС) Еи внутреннюю резистивность R. Сразу же отметим, что термин "резистивность" у нас не прижился, и многие предпочитают более привычный термин "сопротивление", такчто R — внутреннее сопротивление. В тоже время "сопротивление", как деталь электронных схем, стали называть резистором.

Рис. 1.1. Эквивалентные схемы реального источника постоянного напряжения (а) и тока (б)

У идеального источника напряжения R = 0. Строго говоря, внутреннее сопротивление — комплексная величина. Но пока речь идет о постоянных напряжениях и токах, мы ограничимся только действительными R, которые определяются какЛ=с1£//с1/, где d?7— приращение напряжения на зажимах источника, adI — приращение отбираемого от него тока. R может быть нелинейной величиной, зависящей от тока, и даже отрицательной (приборы с падающей вольт-амперной характеристикой — негатроны). Но в дальнейшем мы ограничимся представлением R как сопротивления постоянного (линейного).

Реальный источник постоянного тока состоит из идеального источника тока I и параллельно включенного внутреннего сопротивления R (рис. 1.1,6). Первичные источники постоянного тока хотя и существуют, но широкого практического применения не нашли. Тем не менее, с возможностью их существования (как и с необходимостью измерения их параметров) надо считаться. Если внутреннее сопротивление источников постоянного напряжения обычно очень мало, то внутреннее сопротивление источников постоянного тока весьма велико и достигает десятков-сотен кОм, а порою и единиц-десятков МОм и выше. У идеального источника постоянного тока R=°°.

Первичных источников постоянного напряжения существует достаточно много: электрохимические и нормальные элементы, гальванические и аккумуляторные батареи, солнечные батареи и др. К вторичным источникам постоянного напряжения относятся всевозможные выпрямители, стабилизаторы напряжения (например, на кремниевых стабилитронах или компенсационные, микросхемы для создания высокостабильных (опорных напряжений) и т. д. Однако, за исключением источников высокостабильного напряжения большинство этих устройств используется не в измерительной, а в преобразовательной технике.

Характеристиками источников постоянного тока в некотором диапазоне напряжений обладают многие полупроводниковые приборы, например биполярные и полевые транзисторы. Выпускаются также специальные микросхемы для стабилизации малых токов, например, микросхема стабилизатора постоянного тока КЖ101А, которая позволяет стабилизировать ток от десятков до сотен мкА в диапазоне напряжений от 1,8 до 230 В. Значение R у нее составляет 8 МОм. Однако не следует путать устройства с большим динамическим дифференциальным сопротивлением с реальными первичными источниками постоянного тока. Первые всегда являются потребителями электрической энергии, тогда как вторые — ее источниками.

Измерение ЭДС первичных источников напряжения (например, аккумуляторов в начале и в конце заряда, или гальванической батареи после покупки или хранения) является довольно частой и довольно простой задачей. Как видно из измерительной схемырис. 1.2, оно сводится просто к подключению вольтметра измерительной головкой Vc входным сопротивлением Rbx к источнику напряжения. Учтите, что измерительная головка Кна деле может быть измерителем тока, например, микроамперметром тестера.

Пример: электронным вольтметром с Лвх=1 МОм измеряется ЭДС цилиндрического аккумулятора £=1,25 В. Если внутреннее сопротивление аккумулятора равно R =0,25 Ом, то показания вольтметра согласно (1.8) будут U= 1,2499996875 В, абсолютная погрешность из-за конечности 4Ди=3,125 • 10"7 и относительная погрешность Sv=2,5 • 10"7.

Практически у всех современных электронных вольтметров входное сопротивление Rbx больше R на несколько порядков (см. пример выше), так что практически U=Ebx и оценка погрешности от конечного значения Rbx (и R ) ныне при измерении напряжения батарей не актуальна. В данном случае эта погрешность всецело определяется погрешностью измерения напряжения электронным вольтметром. Она, как правило, гораздо выше, чем погрешность учета R. Таким образом, измерение ЭДС батарей с гальваническими элементами и аккумуляторных батарей, как правило, может выполняться практически без учета их внутреннего сопротивления просто подключением электронного вольтметра (мультиметра) к их выходам. Однако считать это правилом при измерениях напряжения в произвольных цепях нельзя.

1.1.4. Фон, наводки и шум источников постоянного напряжения и тока

В природе идеальных источников постоянного напряжения и тока не существует. Реальные источники постоянного напряжения и тока, особенно вторичные, содержат характерные компоненты, отражающие их неидеальность:

•          Фон — низкочастотные компоненты с частотами, кратными частоте промышленной сети.

•          Наводки — чаще всего высокочастотные компоненты сигнала, обусловленные антенными свойствами проводов цепей, принимающих сигналы ВЧ и СВЧ.

•          Шум — компонента шума, обусловленная хаотическими флуктуациями напряжения или тока, которые существуют практически у всех источников напряжения и тока.

Фон чаще всего наблюдается у источников напряжения (тока), у которых почти постоянное напряжение получают выпрямлением напряжения переменного тока с частотой сети/^=50—60 Гц (или 400 Гц в сетях бортовых устройств). При однополупериодном выпрямлении фон имеет основную частоту, равную^, а при двухполупериодном 2f. В общем случае уровень фона определяется типом выпрямителя и эффективностью фильтра.

Наводки обусловлены антенным действием проводов. Могут быть низкочастотные наводки, например от проводов промышленной сети, которые находятся под высоким уровнем напряжения переменного тока (например, 220 В, 50 Гц). Такие наводки трудно отличить от фона.

На практике значительный уровень имеют наводки от источников ВЧ и СВЧ сигналов, например, от микроволновых и промышленных СВЧ-печей, мощных радиостанций и т. д. Часто их уровень бывает трудно предсказуемым, а частотный спектр таких наводок лежит в области частот от десятков кГц до нескольких ГГц.

Уровень фона и наводок характеризуется несколькими параметрами: амплитудой, двойной амплитудой, средним значением и среднеквадратическим значением. Определения всех этих параметров представлены ниже в разделе, посвященном источникам переменного тока.

Постоянные напряжения и токи неизменно имеют и шумовую компоненту. Но она настолько мала, что в большинстве случаев может не учитываться. Шунтирование источников напряжения высококачественным конденсатором большой емкости эффективно уменьшает шумы и наводки.

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