RC- генератори

LС-генератори

Задаючі LС-генератори виконують за схемами з індуктивним, автотрансформаторним або ємнісної позитивним зворотним зв'язком. Останні два види зв'язку вимагають включення коливального контуру в схему трьома точками, тому такі схеми називають триточковими. Частота сигналу, що генерується, обернено пропорційна індуктивності і ємності, у схемі коливального контуру LС елементів і визначається за формулою. В основному LС-генератори використову-ють на високій частоті. Оскільки на низькій частоті плавна зміна індуктивності котушок зі сталевими осердями і ємності конденсаторів ускладнена, LС-генератори виготовляють на одну або декілька фіксованих частот. За цієї причини LС-генератори низьких частот широкого розповсюдження не отримали.

У транзисторному генераторі (рис. 3) коливальний контур L1 С1 С2 С3 включається в схему трьома точками, що викликає позитивний зворотний зв’язок вихідного і вхідного кіл транзистора VТ1, включеного за схемою з CК. У коло бази цього транзистора включено резистор R1 і конденсатор С4, які поліпшують фільтрацію вищих гармонік і пригнічують можливе паразитне збудження. Для емітерної стабілізації колекторного струму в коло емітера включений резистор R2, за шунтований конденсатором С5 великої ємності. Каскадний емітерний повторювач на транзисторах VТ2 і VТ3 забезпечує необхідне узгодження вихідного опору генератора з навантаженням. Зсув фіксованим струмом створюється включенням резисторів R3 і R4, підбір опорів яких забезпечує необхідні базові і колекторні струми. Змінна складова вихідної напруги, яка створюється на навантажувальному резисторі R4 емітерного повторювача, через розділовий конденсатор С7 надходить на підсилювач потужності.

Задаючі RC- генератори найбільш прості і надійні, не мають намотувальних деталей (котушки та трансформатори), генерують напругу синусоїдальної форми, частоту якої можна переналаштовувати в широких межах змінними резисторами або конденсаторами. Кожен RС- генератор в своїй основі має резистивний підсилювач з сильним позитивним зворотним зв’язком. Відомо, що один каскад резистивного підсилювача зсуває фазу на 180°, тобто вхідна і вихідна напруги знаходяться в протифазі. Такий підсилювач можна перетворити в RC-генератор, з'єднавши його вихід з входом через пристрій, зсунувши фазу ще на 180°. При цьому вихідна напруга буде співпадати за фазою з вхідною, в результаті чого створиться позитивний зворотний зв’язок. Цей зсув фази можна отримати, використавши другий підсилювальний каскад, або включивши в однокаскадний генератор фазозсуваюче RС- коло.

Двокаскадний RС- генератор (рис. 3, а) має два взаємопов’язаних підсилюваль-них каскади, один з яких зібраний на транзисторі VТ1 за схемою з СЕ з резистором навантаження R7 в колекторному колі, а другий-по каскадній схемі з СЕ-СБ на послідовно з’єднаних транзисторах VТ2 і VТ3. В якості динамічного навантаження другого каскаду служить транзистор VТ4. Така схема дозволяє отримати великий коефіцієнт посилення в широкому діапазоні частот. Прямий зв'язок між каскадами отримують з’єднанням колектора транзистора VТ1 з базою транзистора VТ2. У коло позитивного зворотного зв’язку включають фазуючий ланцюг С1 - С8 і R1 - R4. Фазуючий ланцюг однієї межі вимірювання показаний на рис. 3,б, а її частотна характеристика - на рис. 3,в. Оскільки коефіцієнт передачі напруги на частоті найбільший, схема на даній частоті збуджується. Частота , так як та .

Для плавного перестроювання частоти змінюють опір здвоєних резисторів R1 і R3 , а діапазони частот перемикають перемиканням конденсаторів С1-С4 і С5-С8. Амплітуда вихідного сигналу стабілізована лампою розжарювання Л1, включеної в коло негативного зворотного зв’язку. При збільшенні амплітуди вихідного сигналу зростають струм, інерційний нагрів нитки розжарення лампи і її опір, а при зменшенні навпаки. Глибина зворотного зв’язку і посилення схеми змінюються так, щоб протидіяти зміні рівня вихідного сигналу. Так як робота транзисторів визначається лінійною ділянкою їх характеристик, спотворення форми коливань мінімальні.

Режим роботи по постійному струму встановлюють підбором опорів резисторів дільника R5 R6. Включення резисторів R8 та R9 в коло емітера транзистора VТ1 забезпечує емітерну стабілізацію. Резистори R10, R13 і R14 і стабілітрон VD1 визначають режим по постійному струму транзисторів VТ2, VТ3 та VТ4 другого каскаду. Вихідний сигнал через розділовий конденсатор С11 надходить на Т-подібну схему регулятора вихідної напруги, виконану на резисторах R15-R18.

Однокаскадний RC-генератор (рис. 4) має триланкове фазозсуваюче RC-коло, що зв'язує вихід каскаду з входом. Самозбудження підсилювального каскаду настає в тому випадку, коли, по-перше, коефіцієнт підсилення більше коефіцієнта послаблення RС- кола і, по-друге, коли фазовий зсув, створюваний кожною ланкою, дорівнює (де n - кількість ланок RС- кола-три і більше). Друга умова, при певних значеннях опору та ємності RС- елементів, справедлива тільки для частоти , на якій каскад буде збуджуватися.

Режим роботи на постійному струму встановлюють дільником R1R. Потенціометр R3 служить для регулювання вихідної напруги, що надходить з резистора навантаження R2 через розділовий конденсатор С1. Такі генератори стабільні в роботі та виготовляються на одну або декілька фіксованих частот.

RС- генератори використовуються тільки на звукових та ультразвукових частотах. На більш високих частотах стабільність роботи таких генераторів різко падає, так як ємності конденсаторів фазуючих ланцюгів малі й співставні з паразитними ємностями схеми.

3.4. Високочастотні вимірювальні генератори

Генератори сигналів високих частот є джерелами незатухаючих або модульованих по амплітуді синусоїдальних вимірювальних сигналів, параметри яких відомі з нормованою похибкою. Ці генератори працюють у діапазоні 100 (50) кГц 30 (50) МГц і застосовуються в основному для налаштування радіомовних приймачів, для вимірювань характеристик чотириполюсників, для живлення різних радіопристроїв. Сучасні високочастотні генератори вимірювальних сигналів відносяться до єдиної конструктивної серії генераторів на діапазон частот від 100 кГц до 1 ГГц, призначеної для заміни існуючого парку генераторів вказаного діапазону. Вони виконуються на транзисторах і мікросхемах з використанням широкосмугового посилення і автоматичних регулювань.

Основним вузлом генератора (рис. 5, а) є задаючий генератор. Діапазон частот, що генеруються, розбивається на ряд піддіапазонів, які встановлюються підключенням відповідних котушок індуктивності. Зміна частоти в межах піддіапазону здійснюється за допомогою конденсатора змінної ємності. Резонансна частота генератора змінюється обернено пропорційно , тому перекриття в піддіапазонах не перевищує 2-3, а число піддіапазонів досягає 8. Мале перекриття дозволяє підвищити точність градуювання шкали частот і зменшити похибку її установки.

Амплітудна модуляція здійснюється в модуляторі М, який являє собою широкосмуговий підсилювач з нелінійним коефіцієнтом передачі, що змінюється модулюючим сигналом (рис. 5, б).

На виході модулятора включений фільтр верхніх частот. Вхідний сигнал є сумою сигналу високої (несучої) частоти амплітуда якого мала, і сигналу низької (модулюючої) частоти з великою амплітудою. Напруга сигналу, що модулює і до переміщує робочу точку підсилювача по характеристиці 1 на ділянки з різною крутизною, і на виході модулятора утворюється високочастотний сигнал, амплітуда якого змінюється за законом зміни модулюючого сигналу. Фільтр верхніх частот не пропускає модулюючу напругу, і на його виході отримується високочастотний амплітудно-модульований сигнал (рис. 5, в).

Рис.5 Генератор вимірювальних сигналів високої частоти

При такому способі модуляції її коефіцієнт не залежить від рівня сигналу високої частоти, а визначається тільки рівнем низькочастотного модулюючого сигналу. Останній надходить або від внутрішнього генератора Г (рис. 5, а), який виробляє напругу з частотою 1 кГц, або від зовнішнього джерела з частотами від 50Гц до 15кГц. Максимальний рівень модулюючого сигналу, який відповідає модуляції 90%, встановлюється при виведеному низькочастотному атенюаторі Ат і контролюється вольтметром через детектор (випрямний перетворювач ВПр1), коли перемикач П знаходиться в положенні 2. Зміна коефіцієнта модуляції і відлік його значення виконується за допомогою того ж атенюатора дискретно, через 10%.

Після модулятора високочастотний сигнал надходить на вхід широкосмугового підсилювача У2, охопленого ланцюгом автоматичного регулювання рівня АРУ. У ланцюг АРУ входять випрямний перетворювач ВПр2, диференціальний підсилювач постійного струму ДУ і регулятор опорного напруги РОН. На вхід 1 ДУ поступає постійна напруга, пропорційна середньому значенню вихідного сигналу, а па вхід 2 - опорна напруга. Різниця цих напруг є керуючим сигналом, що впливає на модулятор так, що його коефіцієнт передачі змінюється і різниця напруг наближається до нуля.

Рівень сигналу на основному виході можна змінювати в межах 0,5мкВ - 0,5В. Для цього передбачений ступінчатий резистивний атенюатор на П- подібних ланках (рис. 5, г), розрахований на навантаження 50Ом. Для зменшення перешкод вихідному сигналу, що виникають внаслідок наявності внутрішніх і зовнішніх електромагнітних полів, кожен елемент атенюатора розміщений в екрануючій камері, а весь атенюатор - в масивний металевий кожух. Плавна зміна вихідного сигналу в межах 10дБ здійснюється за допомогою опорної напруги, яка надходить від пристрою РОН.

Слід мати на увазі, що в точці а (рис. 4-7, а) вихідний опір підсилювача У2 складає долі ома, так як вихідна напруга не залежить від зміни навантаження і за допомогою АРУ підтримується постійною. Для забезпечення кінцевого вихідного опору генератора, необхідного для узгодження генератора з навантаженням, між виходом У2 та входом атенюатора Ат включений баластний резистор з опором 50Ом. Рівень вихідного сигналу підсилювача У2 контролюється вольтметром через перемикач П в положенні 1. У положенні перемикача 3 можна контролювати напругу блоку живлення БП. У генераторах високої частоти передбачається допоміжний вихід через широкосмуговий підсилювач У1. На виході є сигнал 1В, який використовується для точного вимірювання частоти зовнішнім частотоміром і для інших цілей.

3.5. Імпульсні вимірювальні генератори

Генератори імпульсних сигналів є джерелами відеоімпульсів з відомою формою, тривалістю, частотою повторення і висотою. Основна форма імпульсів прямокутна. Прямокутний імпульс ідеальної форми характеризується тривалістю і висотою . Реальна форма імпульсу відрізняється від ідеальної, і для його характеристики існують обов'язкові правила. Тривалість імпульсу визначається на рівні . Висота імпульсу обмежується точкою перетину усередненої лінії вершини імпульсу з його фронтом. Тривалість фронту відповідає часу наростання імпульсу від до /; тривалість спаду - часу убування сигналу від до . Імпульс приймається прямокутним в тому випадку, якщо і менше . Викиди на вершинах імпульсів і в паузах між ними оцінюються у відсотках від висоти імпульсу.

Є генератори імпульсних сигналів спеціальної форми пилкоподібної, трапецеїдальної, і т.д.

Генератори імпульсних сигналів прямокутної форми поділяються за призначенням на три групи: генератори загального призначення; генератори з точною установкою параметрів сигналу; генератори кодових комбінацій і псевдовипадкових послідовностей імпульсів.

Генератори перших двох груп виконуються одноканальними і багатоканальними з числом каналів 2, 3 або 5. У одноканальних генераторах на одному або декількох пов’язаних виходах отримують послідовність імпульсів однакової тривалості та частоти повторення; змінювати можна висоту і полярність. У багатоканальних - на декількох не пов’язаних між собою виходах отримують синхронні послідовності імпульсів з можливістю незалежної зміни на кожному виході тривалості, висоти і полярності. Генератори другої групи випускаються з точним калібруванням одного з параметрів: амплітуди, тривалості, частоти повторення і тимчасових зсувів.

Сукупність генераторів імпульсних сигналів забезпечує одержання імпульсів тривалістю від часток наносекунди до одиниць секунд, частоту повторення - від часток герца до сотень мегагерц, висоту - від одиниць мілівольт до десятків вольт.

Генератори загального призначення, використовуються для запуску радіотехнічних пристроїв, для модуляції сигналів ультрависокочастотних і надвисокочастотних генераторів, для дослідження імпульсних характеристик напівпровідникових і електронних приладів.

Генератори з точною установкою параметрів імпульсів застосовуються для перевірки перехідних характеристик широкосмугових підсилювачів і осцилографів; повірки генераторів загального призначення і вимірювачів часових інтервалів.

Генератори кодових комбінацій і пакетів імпульсів, а також їх псевдовипадкової послідовності використовуються для випробування логічних схем і пристроїв, апаратури каналів зв’язку з імпульснокодовою модуляцією, інтегральних схем, пристроїв обчислювальної техніки. Ці генератори випускаються з пристроями програмованого і дистанційного керування параметрами сигналів та придатні для використання в автоматичних системах різного призначення.

Рис. 6 Структурна схема генератора імпульсних сигналів

Спеціальні генератори пилоподібним імпульсів застосовуються для модуляції сигналів генераторів шуму, свіп- генераторів, для вимірювання амплітудно-частотних характеристик.

Основними характеристиками імпульсних генераторів є: частота повторення F, тривалість імпульсу , тривалість фронту . тривалість спаду , максимальне значення амплітуди, мінімальна шпаруватість і похибка установки параметрів імпульсу.

Незважаючи на різноманітні вимоги до генераторів прямокутних імпульсів, більшість їх будується за однаковою структурною схемою (рис. 6), в якій здійснюється послідовне поблочне формування параметрів імпульсів.

Задаючий генератор ЗГ виробляє синусоїдальну або імпульсну напругу. У першому випадку він виконується за схемою RC- або LС- генератора, у другому - за однією із схем релаксаційних генераторів. Частота генерації визначає частоту повторення послідовності імпульсів. Передбачена синхронізація задаючого генератора від зовнішнього джерела через блок синхронізації БС У цьому ж блоці напруга задаючого генератора перетворюється в послідовність коротких імпульсів, за допомогою яких запускається блок формування імпульсів БФ1. Ці ж імпульси можна використовувати в якості синхроімпульсів для зовнішніх пристроїв - осцилографів та ін.

За допомогою блоку затримки БЗ можна зсувати початкове положення імпульсів на виході генератора. У другому блоці формування БФ2 встановлюється потрібна тривалість імпульсу , а у вихідному підсилювачі ВУ - необхідне значення амплітуди і полярності. За допомогою резистивного атенюатора Ат на другому виході встановлюються імпульси з висотою, в раз (n = 1, 2, 3, 4) меншою, ніж на першому виході. Контроль висоти імпульсів здійснюється піковим вольтметром; іноді висота імпульсу порівнюється з опорною напругою.

Форма вихідних імпульсів зберігається при роботі генератора на певне навантаження, яка у різних генераторів складає 50, 75, 500 та 1000 Ом.

4. Закріплення вивченого матеріалу:

4.1. Які прилади називаються вимірювальними генераторами?.

4.2. Наведіть класифікацію вимірювальних генераторів.

4.3. Поясніть структурну схему низькочастотного ВГ.

4.4. Поясніть принцип роботи LС-генератора.

4.5. Поясніть принцип роботи RC- генератора

4.6. Поясніть принцип роботи високочастотного вимірювального генератора.

4.7. Поясніть принцип роботи імпульсного вимірювального генератора.

5. Домашнє завдання: Л1 с.138...153, Л2 с.131...153.

 


Лекція №10

Тема заняття: Електронно-рахункові (цифрові) частотоміри.

Мета заняття: Сформувати у студентів поняття про електронно-рахункові (цифрові) частотоміри. Вивчити вимірювання частоти дискретним методом. Розвивати пізнавальні здібності студентів.

Хід заняття:

1. Організаційна частина.

2. Актуалізація опорних знань студентів (бесіда).

Частотомір - це прилад для вимірювання частоти періодичних процесів (коливань). Частоту механічних коливань зазвичай вимірюють за допомогою вібраційних механічних частотомірах і електричних частотомірах, використовуваних спільно з перетворювачами механічних коливань в електричні. Найпростіший вібраційний механічний частотомір, дія якого заснована на резонансі, являє собою ряд пружних пластин, укріплених одним кінцем на загальній підставі. Пластини підбирають по довжині і масі так, щоб частоти їх власних коливань склали якусь дискретну шкалу, за якою і визначають значення вимірюваної частоти. Механічні коливання, що впливають на підставу частотоміра, викликають вібрацію пружних пластин, при цьому найбільша амплітуда коливань спостерігається у тій пластини, у якої частота власних коливань дорівнює (або близька за значенням) вимірюваній частоті.

Найпростіший електромеханічний частотомір вібраційного типу складається з електромагніту і ряду пружних пластин (як в механічному частотоміри) на загальній підставі, з'єднаному з якорем електромагніту. Вимірювані електричні коливання подають в обмотку електромагніту; виникають при цьому коливання якоря передаються пластинам, по вібрації яких визначають значення вимірюваної частоти. У електродинамічних частотомірах основним елементом є логометр, в одну з гілок якого включений коливальний контур, постійно налаштований на середню для діапазону вимірів даного приладу частоту. При підключенні такого частотоміра до електричного ланцюга змінного струму вимірюваної частоти рухлива частина логометра відхиляється на кут, пропорційний зрушенню фаз між струмами в котушках логометра, який залежить від співвідношення вимірюваної частоти і резонансної частоти коливального контуру.

Частоту електромагнітних коливань в діапазоні радіочастот і ПВЧ вимірюють за допомогою електронних частотомірів (хвилемірів) - резонансних, гетеродинних, цифрових та ін. Дія резонансного частотоміра основана на порівнянні вимірюваної частоти з частотою власних коливань електричного контуру (або резонатора ПВЧ), що настроюється в резонанс з вимірюваною частотою. Резонансний частотомір складається з коливального контуру з петлею зв'язку, що сприймає електромагнітні коливання (радіохвилі), детектора, підсилювача і індикатора резонансу. У гетеродинних частотомірах вимірювана частота порівнюється з відомою частотою (або її гармоніками) зразкового генератора - гетеродину. При підстроювання частоти гетеродину до частоти вимірюваних коливань на виході змішувача (де відбувається порівняння частот) виникають биття, які після посилення індукуються стрілочним приладом, телефоном або (рідше) осцилографом.

Широке застосування отримали цифрові частотоміри (рис.1), принцип дії яких полягає в підрахунку числа періодів вимірюваних коливань за певний проміжок часу. Електронно-лічильний частотомір складається з формуючого пристрою, перетворювача синусоїдальної напруги вимірюваної частоти в послідовність однополярних імпульсів, тимчасового селектора імпульсів, що відкривається на певний проміжок часу, електронного лічильника, який відлічує число імпульсів на виході селектора, і цифрового індикатора.

3. Вивчення нового теоретичного матеріалу:

3.1. Загальні відомості. Принцип вимірювання частоти дискретним методом.

3.2. Схема цифрового частотоміра. Принцип роботи і похибка вимірювання.

3.3. Структурна схема цифрового частотоміра, який працює в режимі вимірювання періоду. Принцип роботи приладу.

3.4. Структурна схема цифрового частотоміру, який працює в режимі вимірювання періоду.

3.5. Електронно-рахункові частотоміри. Основні види та використання.

Короткі теоретичні відомості:

3.1. Загальні відомості. Принцип вимірювання частоти дискретним методом

Вимір частоти й інтервалів часу необхідний для вирішення багатьох наукових і технічних завдань. Частотою f називаєтьсячисло однакових подій або циклів процесу, що відбуваються в одиницю часу.

Одиницею виміру циклічної частоти f є герц (Гц), що відповідає одній події за 1с. Відзначимо, що історично в радіоелектроніці високі частоти (ВЧ) прийнято позначати буквою f, а низькі частоти (НЧ) - F.

Дискретний метод вимірювання частоти заснований на відліку електронним лічильником за відомий високостабільний інтервал часу Т0 (або Тц = КТ0) числа імпульсів, які слідують з частотою, що дорівнює вимірюваній. Якщо за час Т0 підраховано n імпульсів, то середнє значення вимірюваної частоти fх (Гц) за час Т0 (с) буде:

.

Гармонійні сигнали характеризуються також кутовою, або круговою частотою, яка виражається в радіанах на секунду (рад/с) та дорівнює зміні фази сигналу φ(t) за одиницю часу:

.

Інтервалом часу ∆t у загальному випадку називається час, що пройшов між моментами двох послідовних подій. До числа таких інтервалів відносяться, наприклад, період коливань, тривалість імпульсу або тривалість інтервалу, обумовлені зміною з часом двох імпульсів.

Періодом Τ будь-якого періодичного детермінованого сигналу u(t) називається найменший інтервал часу, через який регулярно й послідовно повторюється довільно вибране миттєве значення цього сигналу. Таким чином, періодичний сигнал можна записати:

,

де, n = 1, 2, 3.

Для синусоїдального сигналу:

Період коливання Т визначається як інтервал часу, протягом якого фаза сигналу φ(t), виражена в радіанах, змінюється на 2π.

З курсу фізики відомо, що частота f і період коливання Τ рівноправні й зв'язані між собою формулою:

.

Широкий діапазон частот електричних сигналів (від тисячних часток герца до 1010 і більше Гц) та різні вимоги до точності вимірювань привели до використання різноманітних методів вимірювань частоти.

Для вимірювань і контролю частот до 2000Гц широко використовують стрілкові логометричні частотоміри електромагнітної, електро- та феродинамічної системи, а також резонансні електромагнітні частотоміри. Ці прилади споживають порівняно велику потужність (до 12Вт) і мають невисокий клас точності (1,0 - 4,0).

Найвищу точність забезпечує метод порівняння вимірюваної частоти з відомою, який покладений в основу будови цифрових частотомірів з число-імпульсним кодуванням. Порівняння вимірюваної частоти з частотою зразкового генератора можна здійснювати також з допомогою електронного осцилографа або методом биттів.

Основними вимірювальними приладами і засобами виміру частоти є:

осцилографи;

приймачі сигналів еталонних частот і компаратори;

перетворювачі частоти сигналів;

резонансні частотоміри;

частотоміри на основі методу заряду-розряду конденсатора;

цифрові частотоміри;

цифрові вимірники інтервалів часу.

Вимір частоти найчастіше виконується за допомогою цифрового методу (дискретного рахунку), на базі якого створюються цифрові (електронно-рахункові) частотоміри. До переваг цифрового методу відноситься висока точність вимірювання, широкий діапазон вимірюваних частот, можливість обробки результатів вимірів за допомогою обчислювальних засобів (мікропроцесорів, персональних комп’ютерів та ін.). Крім того, цифрові частотоміри дають можливість вимірювати не тільки частоту коливань, але й інтервали часу.

Для виміру частоти також застосовуються й методи порівняння із частотою джерела зразкових коливань (резонансний, гетеродинний та за допомогою осцилографа).

Гетеродинне перетворення частоти застосовується лише в тому випадку, коли потрібен перенос частоти ПВЧ- коливань в область, зручну для виміру цифровими приладами.