4-2. ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ ИНФРАНИЗКИХ И НИЗКИХ ЧАСТОТ

Генераторы сигналов иифракизккх частот. Эти генераторы предназначены для исследования и настройки узлов автоматического регулирования, сервомеханизмов, аналоговых вычислительных машин и других устройств, работающих в диапазоне частот, нижняя граница которых находится в инфразвуковой области (например, 0,001 Гц). Верхняя граница частот достигает в отдельных генераторах десятков и сотен килогерц. Формы выходных сигналов — синусоидальная, прямоугольная, треугольная, пилообразная и др.

Рассмотрим получение синусоидального сигнала мвых Известно, что это выражение является решением дифференциального уравнения

Следовательно, для получения генерации нужно использовать линейный интегратор второго порядка или два обычных интегратора, соединенных последовательно и охваченных положительной обратной связью. В последнем случае уравнение второго порядка нужно заменить эквивалентной системой дифференциальных уравнений первого порядка

Сравнивая систему уравнений первого порядка с уравнением второго порядка, можно сделать вывод, что один из интеграторов должен обеспечивать коэффициент передачи а второй — коэффициент передачи Для обеспечения необходимых фазовых соотношений между интеграторами включают инвертор И (рис. 4-1). Таким

образом, частота генерируемых сигналов определяется коэффициентами передачи интеграторов: и для ее регулировки коэффициенты передачи также должны быть регулируемыми. Известно, что коэффициент передачи интегратора равен Изменяя значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов, можно установить нужное значение частоты на выходе генератора.

Рис. 4-1. Принципиальная схема генератор а измерительных сигналов инфранизких частот на интеграторах

При работе на инфранизких частотах значения и С велики и они переключаются ступенями, кратными десяти, чем устанавливаются соответствующие поддиапазоны выходных частот.. Для плавного перекрытия частоты внутри поддиапазона используется регулировка напряжения на входах интеграторов, благодаря чему коэффициент передачи Обычно коэффициенты передачи обоих интеграторов равны друг другу и выходная частота генератора

Рис. 4-2. Функциональная схема генератора измерительных сигналов инфранизких частот

На рис. 4-2 представлена функциональная схема генератора, выполненного на интеграторах. Основными элементами схемы являются операционные усилители в микросхемном исполнении; У, — инвертор, (входят в схемы интеграторов), выходные усилители. В линейной замкнутой цепи генератора возникают нарастающие колебания напряжения. Для их стабилизации в цепи обратной связи

инвертора включен нелинейный элемент регулирующий коэффициент Передачи инвертора так, что установленный выходной уровень сигнала остается неизменным. Установка уровня сигнала на выходных зажимах генератора осуществляется плавно с помощью потенциометра на входе усилителя и скачкообразно с помощью резистивного аттенюатора Предусматривается преобразователь сигнала синусоидальной формы в прямоугольный короткий синхроимпульс, для чего используется соответствующее формирующее устройство

Рис. 4-3. Структурная схема генератора измерительных сигналов низких частот

Генераторы измерительных сигналов звуковых и ультразвуковых частот. Диапазон частот таких генераторов составляет 20 Гц и 20 Гц — соответственно. Обобщенная структурная схема генераторов указанных выше частот представлена на рис. 4-3. Задающий генератор вырабатывает сигналы нужных частот синусоидальной формы. Эти сигналы поступают на усилитель У, выходное напряжение которого контролируется электронным вольтметром, градуированным в действующих значениях. Необходимый уровень напряжения сигнала на выходе генератора устанавливается с помощью резистивного аттенюатора обычно вносящего ослабление до

Рис. 4-4. Схемы выходных устройств генераторов низких частот

На рис. 4-4, а представлена упрощенная принципиальная схема двухзвенного резистивного ступенчатого аттенюатора, выполненного на -образных звеньях, рассчитанного на согласованную нагрузку 600 Ом. Когда ключ замкнут, а разомкнут, работает только первое звено. При значениях сопротивлений резисторов и — ослабление составляет последовательный ряд значений: 0; 10; 20; 30; 40 и 50 дБ. Второе звено подключается при размыкании ключа К] и замыкании и вносит ослабление Полное ослабление аттенюатора 100 дБ раз); входное и выходное сопротивление 600 Ом; частотный диапазон 20 Гц — 200 кГц.

Выходное сопротивление генератора согласуется с сопротивлением его нагрузки с помощью согласующего трансформатора

(рис. 4-3, 4-4, б). Трансформатор Состоит из ферромагнитного магнита-провода с малыми потерями и двух обмоток, Первичная обмотка присоединяется к выходу аттенюатора и потому рассчитывается на его выходное сопротивление Вторичная обмотка секционирована. Число витков каждой секции определяется соотношением сопротивления нагрузки, включенной в данную секцию, и сопротивлением аттенюатора: где число витков первичной обмотки; сопротивление нагрузки. Во вторичной обмотке предусмотрена средняя точка а, благодаря чему можно осуществить как симметричный, так и несимметрнчный выход генератора.

Генераторы измерительных сигналов звуковой и ультразвуковой частоты по схемному решению разделяются на RC- и LC-генераторы; генераторы на биениях (смешение частот) и прямого генерирования выходных частот; без стабилизации частоты и с диапазонно-кварцевой стабилизацией.

RC-генераторы получили большое распространение благодаря простоте схемы и стабильным метрологическим характеристикам. Задающий генератор представляет собой дифференциальный усилитель, охваченный положительной частотно-зависимой и отрицательной нелинейной частотно-независимой обратными связями (рис. 4-5).

Рис. 4-5. Схема задающего RС-генератора

Цепь положительной обратной связи образована двухполюсниками цепь отрицательной обратной связи — резисторами Эти элементы являются плечами моста Вина, в вертикальную диагональ котором поступает выходное напряжение На двухполюснике образуется напряжение положительной обратной связи а на резисторе напряжение отрицательной обратной связи Здесь коэффициенты положительной и отрицательной обратной связи соответственно. С горизонтальной диагонали на вход усилителя поступает разность напряжений положительной и отрицательной обратной связи: Отсюда получаем, что коэффициент усиления усилителя равен

О другой стороны известно, что усилитель с обратной связью имеет коэффициент усиления

Подставляя формулу в выражение получаем что свидетельствует о наличии генерации, условие которой запишется так: Известно, что для возникновения генерации должны быть выполнены условия баланса фаз и баланса амплитуд. Баланс фаз наступает в момент равновесия моста Вина, т. е. при Заменяя их выражениями и полагая

после простых преобразований получаем выражение для частоты генерируемого напряжения в виде

Попутно определяем соотношение между элементами плеч моста, находящимися в цепи отрицательной обратной связи: Теперь можно найти значения коэффициентов положительной и отрицательной обратной связи, которые оказываются равными друг другу: Для устойчивой работы генератора всегда должно выполняться условие для чего сопротивление резистора выбирается немного большим, чем сопротивление значение будет немного меньшим, чем и в схеме действует небольшая результирующая положительная обратная связь. Из формулы следует, что усилитель без обратной связи должен иметь большое усиление (порядка нескольких тысяч) и при малом входном напряжении работает в линейном режиме. С помощью отрицательной обратной связи его коэффициент усиления уменьшается до необходимого значения, равного 3.

Для обеспечения нелинейности, принципиально необходимой в генераторе, в цепь отрицательной обратной связи включают резистор, сопротивление которого нелинейно зависит от напряжения. Если сопротивление такого нелинейного резистора имеет отрицательный температурный коэффициент, то резистор включают в плечо а если положительный, — в плечо Такой нелинейный резистор обеспечивает постоянство уровня выходного напряжения генератора. При возрастании выходного напряжения отрицательная обратная связь увеличивается быстрее, чем положительная, коэффициент усиления усилителя уменьшается и выходное напряжение возвращается к прежнему значению. При уменьшении выходного напряжения процесс имеет обратный характер. Значение нелинейного сопротивления зазисит от протекающего по нему тока, т. е. от температуры. Постоянная времени его теплообмена с окружающей средой составляет несколько секунд. Следовательно, он представляет собой инерционную нелинейность, реагирующую не на мгновенные значения амплитуды, а на ее среднее значение за несколько периодов. Поэтому форма выходного напряжения генератора практически синусоидальна.

Из выражения следует, что настройку генератора на нужную частоту можно производить изменением сопротивлений и емкостей С. В практических схемах генераторов скачкообразным изменением сопротивлений сдвоенных резисторов устанавливается нужный поддиапазон частот, внутри которого частота изменяется плавно с помощью сдвоенного блока переменных конденсаторов Имеются генераторы, у которых частота плавно устанавливается с помощью сдвоенных переменных резисторов, а поддиапазоны — переключением конденсаторов постоянной емкости. Коэффициент перекрытия в каждом поддиапазоне равен 10; число поддиапазонов — 3 или 4: 20—200 Гц; 200—2000 Гц и т. д. Погрешность установки частоты определяется конструкцией и качеством изготовления механизма настройки и шкалы и составляет 1—2%. Как правило, основная погрешность установки частоты задается в виде суммы: где 6 — относительная погрешность; а — минимальная абсолютная погрешность установки частоты в нижней части диапазона, Гц. Нестабильность частоты определяется нестабильностью резисторов и конденсаторов двухполюсников изменением параметров электронных приборов усилителя а напряжения питающей сети.

Гешратвры на биениях сложнее С-генераторов: как в схемном, так и в конструктивном отношения. Однако они имеют два преимущества, благодаря которым широко применяются в измерительной технике: непрерывное перекрытие всего диапазона выходных частот и малую зависимость выходного сигнала от частоты. Эти качества генераторов на биениях не только упрощают работу с ними, но и позволяют применять их при автоматической записи частотных характеристик различных радиотехнических и акустических устройств путем автоматической перестройки частоты с заданной скоростью.

Задающий генератор с непрерывным перекрытием диапазона выходных частот (рис. 4-6) состоит из двух генераторов высокой частоты, один которых вырабатывает напряжение постоянной фиксированной частоты а второй можно плавно перестраивать в пределах от до где максимальное значение выходной частоты генератора, обычно составляющие фиксированной частоты. Напряжение генераторов подают на два входа преобразователя частоты на выходе которого возникают напряжения разностной частоты и высокочастотные составляющие.

Рис. 4-6. Схема задающего генератора на биинаях

Последние отфильтровываются фильтром нижних частот а разностная частота поступает на усилитель и далее на выход генератора. Относительная нестабильность выходной частоты зависит от нестабильности высокочастотных генераторов и определяется следующей формулой: где нестабильности генераторов фиксированной частоты и с плавной настройкой.

Рассмотрим более подробно рис. 4-6. Предположим, что частота задана равной Тогда должна изменяться в пределах Диапазон частот генератора перекрывается одним поворотом ротора конденсатора С, при этом емкость контура изменяется всего на Шкалу ротора конденсатора С удобно градуировать в логарифмическом масштабе. В контуре генератора фиксированной частоты включен конденсатор переменной емкости с пряаочастошыми пластинами, с помощью которого можно изменять выходную частоту в любой точке настройки; изменение ±100 Гц отсчитывается по шкале «расстройка». Генераторы еысокой частоты не должны иметь связи между собой, в противном случае возможно явление «захватывания» на близких частотах, приводящее к исчезновению выходного напряжения. Для устранения связей оба генератора тщательно экранируются, развязываются фильтрами в цепях питания и отделяются от остальной части схемы буферными эмиттерными повторителями

Усилители поднимают уровни напряжений высокой частоты: первый — для контрольного выхода, второй — для обеспечения нормальной работы усилителя-ограничителя Преобразователь

работает в ключевом режиме. Фильтр нижних частот пропускает частоты а высокочастотные составляющие должны подавляться не менее чем на относительно максимального уровня выходного сигнала генератора. Для поддержания установленного значения выходного напряжения неизменным предусмотрено автоматическое регулирование усиления в усилителе с помощью блока АРУ, состоящего из нелинейного усилителя сигнала контрольного выхода, выпрямителя и фильтра.

Перестройка частоты осуществляется как вручную, так и автоматически с помощью электродвигателя и редуктора, связанного с осью конденсатора С (генератор ).

Коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала у генератора на биениях больше, чем у генератора RC, и составляет

Генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты являются наиболее сложными среди генераторов звуковых и ультразвуковых частот. Они предназначены для генерации сигналов высокой стабильности, определяемой используемым в данном генераторе кварцевым резонатором. Для получения широкого диапазона стабильных частот применяются два способа: деление или умножение частоты кварцевого резонатора с последующим их смешением в соответствующих преобразователях, в результате чего получаются дискретные частоты; автоматическая подстройка выходной частоты генератора с плавной настройкой по частоте генератора с кварцевой стабилизацией, включая ее гармоники и субгармоники.

Для получения непрерывного диапавона частот в первом случае применяется интерполяция. Дискретные частоты и плавно изменяющаяся частота интерполяционного генератора подаются на преобразователь частоты, на выходе которого после соответствующей фильтрации получают частоты Относительная погрешность установки частоты составляет нестабильность частоты в течение трех часов работы; коэффициент нелинейных искажений