Генераторы синусоидальных сигналов низкой частоты

При нормировании метрологических характеристик низкочастотных генераторов вводится понятие индекса класса точности. За индекс класса точности принимается значение основной погрешности установки частоты и уровня выходного напряжения в процентах. Запись вида, например,  F0,5
 U2,5    означает, что основная относительная погрешность установки частоты не превышает 0,5 %, а основная приведенная погрешность установки выходного напряжения (уровня) не превышает  2,5 %. Для большинства генераторов НЧ широкого применения установлено 6 классов по частоте и 5 классов по напряжению

  F 0,1 ;  0,5 ; 1,0 ; 1,5 ; 2,0 ; 3,0

  U 1,0 ; 2,0 ; 3,5  ;  4,0 ; 6,0 .

Для каждого класса точности установлены нормы на другие метрологические характеристики ГНЧ. 

Обобщенная структурная схема  генератора  синусоидальных сигналов низкой частоты.

Рисунок 9.1

На схеме обозначены:

ЗГ – задающий генератор

УНЧ – усилитель низкой частоты

АТТ – аттенюатор

СТ – согласующий трансформатор

АРУ –система автоматической регулировки уровня

В – вольтметр

Задающий генератор (ЗГ) - предназначен для формирования сигнала заданной формы и частоты. Известные типы и схемные решения ЗГ будут рассмотрены ниже.

УНЧ – предназначен для усиления сигнала ЗГ по напряжению и мощности, а также для развязки выхода ЗГ от выхода генератора.

Аттенюатор
– предназначен для внесения известного затухания в уровень выходного сигнала генератора. Как правило, он позволяет ступенчато (обычно через 10 ДБ) изменять ослабление сигнала на выходе генератора.

Согласующий трансформатор (СТ) – предназначен для согласования выходного сопротивления генератора  Rвых с сопротивлением нагрузки Rн. Условием полного согласования является  Rвых = Rн.

СТ, как правило, используется в генераторах с повышенной выходной мощностью (Рвых
> 5 Вт).

АРУ – предназначен для стабилизации уровня сигнала на выходе УНЧ. Применяется в генераторах с повышенными требованиями к точности установки выходного напряжения и его стабильности.

Вольтметр (В) – предназначен для контроля напряжения на выходе УНЧ в процессе регулировки и установки заданного уровня выходного сигнала генератора.

Наиболее важным блоком структурной схемы ГНЧ, определяющим диапазон генерируемых частот, погрешность установки и нестабильность частоты,  искажения формы сигнала и т.д., является задающий генератор (ЗГ). В ЗГ могут использоваться  следующие схемные решения:

          -   LC  - генераторы

          -   RC  - генераторы

          -   генераторы на биениях

          -   синтезаторы частот (генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты

          -   цифро-аналоговые генераторы

Остановимся подробнее на указанных схемных решениях ЗГ.

 LC – генератор  представляет собой усилительную схему с самовозбуждением, содержащую колебательный LC – контур. Частота генерируемого сигнала  f0
определяется параметрами контура

                                                                              (9.3)

В генераторах основной частоты данная схема не используется, т.к. при формировании низких частот требуются большие величины L и С, что, в свою очередь, ухудшает характеристики генерируемых сигналов.

RC – генератор представляет собой усилитель, охваченный положительной RC обратной связью (как правило двойной Т – образный мост Вина). В этом случае схема RC – генератора имеет следующий вид:

Рисунок 9.2

Если       R1 =  R2
= R

               C1 =   C2
= C , то частота формируемого сигнала определяется соотношением 

                                                                               (9.4)

Для того, чтобы схема работала в автоколебательном режиме необходимо выполнить два условия самовозбуждения:

а) Баланс амплитуд  Кβ > 1, где

    К – коэффициент передачи разомкнутого усилителя (коэффициент усиления )

    β – коэффициент передачи цепи обратной связи.

б) Баланс фаз

                                                                           (9.5)

где  - сдвиг фазы обеспеченный операционным усилителем

  -  сдвиг фазы цепи обратной связи.

В данной схеме перестройка по частоте, как правило, осуществляется:

- по поддиапазонам – дискретно за счет переключения сопротивлений

- внутри поддиапазона – плавно за счет изменения величины емкости.

9.2.2. Генератор на биениях

Выходной сигнал в ЗГ данного типа формируется за счет смешения двух высокочастотных сигналов близких по частоте и последующего выделения сигнала разностной частоты – напряжения биения.

Рисунок 9.3. Структурная схема задающего генератора на биениях.

На схеме обозначены:

ГФЧ   - генератор фиксированной  частоты

ГПЧ   - генератор перестраиваемой частоты

СМ    - смеситель

ФНЧ  - фильтр низкой частоты

В блоках ГФЧ и ГПЧ, как правило, используются схемы автогенерации типа LC.

В структурных схемах ЗГ данного типа удается обеспечить более высокую стабильность частоты.

9.2.3. Синтезаторы частоты

Выходной сигнал в рассматриваемых ЗГ формируется в результате преобразования частоты опорного высокостабильного генератора (как правило с кварцевой стабилизацией частоты).

Основные характеристики синтезаторов частоты    

- Диапазон частот выходного сигнала от 50 Гц до 50*106  Гц с дискретностью установки до   0,01 Гц                                       

- Нестабильность частоты до 10-8  за сутки

- Уровень подавления комбинационных частот до 70 дБ

Синтезаторы строятся по методу прямого или косвенного синтеза. Прямой синтез основан на выполнении 4–х арифметических действий (умножение, деление, сложение, вычитание) над частотой опорного генератора и последующей фильтрации возникающих комбинационных частот. Косвенный синтез  заключается в синхронизации частоты автогенератора выходного сигнала с частотой опорного генератора.

Рисунок 9.4 Упрощенная структурная схема прямого синтеза частоты

На схеме обозначены:

ГОЧ – высокостабильный генератор опорной частоты.

БСЧ – блок синтеза частот

9.2.4. Цифро-аналоговые генераторы.

В задающих генераторах данного типа входной сигнал формируется путем кусочно-ступенчатой аппроксимации функции sin задающей частоты. С использованием данного метода строится схема генераторов низких и инфронизких частот, а также генераторы с фиксированным значением частоты входного сигнала.

 Обобщенная структурная схема формирования  цифро-аналогового генератора и принцип кусочно-ступенчатой аппроксимации входного сигнала представлен на рисунках.

Рисунок 9.5. Структурная схема цифро-аналогового генератора.

На схеме обозначены:

ГОЧ – генератор опорной частоты

СТ – счетчик импульсов

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (хранит коды функции sin  в точках дискретизации)

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

УНЧ – усилитель низкой частоты

Рисунок 9.6. Принцип кусочно-ступенчатой аппроксимации функции sin.

С использованием данного метода строятся схемы ГНЧ в диапазоне частот (от 0,01 до 10) Гц  обладающие лучшими метрологическими характеристиками.

- Погрешность установки частот  0,05 %.

- Нестабильность частот формируемого сигнала – до 10-8 в сутки.

- коэффициент гармоник кг0,05%.

- легко согласуются с информационно-измерительными комплексами более высокого уровня иерархии.