Синусоидальных колебаний

Низкочастотные ИГ (звуковой и ультразвуковой частот) вырабатывают синусоидальные колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц— 200 кГц), амплитудой (от долей милливольт до 150 В) при нескольких фиксированных значениях сопротивления нагрузки, максимальной мощностью 1 мВт—10 Вт.

Нелинейные искажения синусоидального выходного сигнала характеризуются коэффициентом гармоники (%), равным отношению среднего квадратического напряжения суммы всех гармоник сигнала U₂,..., U_k, кроме первой, к среднему квадратическому напряжению U₁ первой (основной) гармоники:

 

Коэффициент K_г зависит от значений частоты и выходной мощности сигнала.

 

Диапазон генерируемых частот характеризуется коэффициентом перекрытия /Спер, равным отношению максимальной генерируемой частоты f_mах к минимальной f_min

Расширение диапазона генерируемых частот возможно за счет применения частичных поддиапазонов.

Стабильность частоты ИГ определяется отношением абсолютного изменения.частоты Δf к начальной частоте f_о при определенных условиях:

где f₁ — частота ИГ, измененная внешними условиями.

Точность установки частоты определяется качеством шкальных устройств и механизмов органов настройки.

Абсолютная погрешность установки частоты для ИГ

где d_f — относительная погрешность; n — минимальное значение абсолютной погрешности установки частоты, Гц.

 

Измерительные генераторы имеют малое выходное сопротивление, значение которого можно регулировать для согласования с сопротивлением внешней нагрузки. В них предусматривается регулировка в широких пределах частоты и напряжения (мощности) выходного сигнала.

Измерительный генератор состоит из задающего генератора, усилителя мощности, выходного устройства (рис. 8.1).

 

 

Рис. 8.1. Схема измерительного генератора низкой частоты

Задающий генератор (возбудитель) создает стабильные по частоте и амплитуде синусоидальные колебания в требуемом диапазоне частот. Он во многом определяет характеристики ИГ (форму или периодичность выходного сигнала). В зависимости от схемного решения задающего генератора ИГ делят на LC-генераторы, генераторы на биениях и RC-генераторы.

Усилитель мощности обеспечивает развязку задающего генератора от нагрузки, усиливает напряжение (мощность) генерируемых колебаний (повышает энергетический уровень сигналов) на заданной нагрузке, т. е. согласует выход задающего генератора с выходным устройством ИГ.

Выходное устройство состоит из аттенюатора, согласующего трансформатора, электронного вольтметра. Аттенюатор изменяет, а электронный вольтметр контролирует уровень выходного напряжения (мощности), подводимого к нагрузке. Согласующий трансформатор согласует выходное сопротивление ИГ с сопротивлением нагрузки, что обеспечивает получение максимальной выходной мощности и минимальных нелинейных искажений.

LC-генераторы. В LC-генераторах частота генерируемых колебаний f определяется емкостью С и индуктивностью L колебательного контура задающего генератора, работающего в режиме самовозбуждения:

Основные недостатки LC-генераторов — громоздкость колебательного контура и сложность его перестройки. Для создания измерительного генератора с регулируемой частотой 20 Гц...20 кГц, т. е. при коэффициенте перекрытия K_пер=10³, требуются большие емкости и индуктивности. Широкого распространения LC-генераторы не получили; изготовляются они на узкий диапазон частот либо на одну или несколько фиксированных частот.

Генераторы на биениях. Задающий генератор составлен из двух высокочастотных, близких по частоте маломощных генераторов LC-типа, смесителя и фильтра низких частот (рис. 8.2). Генератор фиксированной частоты

Рис, 8.2. Схема генератора на биениях

генерирует колебания частоты f₁ генератор регулируемой частоты генерирует колебания с частотой f₂, которая плавно регулируется в некоторых пределах. Напряжения этих частот через буферные каскады (катодные или эмиттерные повторители) поступают на смеситель. В результате взаимодействия колебаний с частотами f₁ и f₂ на выходе смесителя образуются колебания серии комбинационных частот ±mf₁ ± nf₂ (m и n — целые числа) и частоты f, равной разности частот f₂—f₁. Фильтр низких частот задерживает высшие частоты и выделяет разностную частоту, т. е. частоту биений f, напряжение которой усиливается в усилителе низких частот и через аттенюатор подается на выход.

Значения частот f₁ и f₂ выбирают такими, чтобы разностная частота лежала в диапазоне низких частот (например, f₁ = 180 кГц, f₂= 180÷200 кГц, f= 0÷20 кГц). Недостатки генераторов на биениях — сложность схемы и относительная нестабильность низкой частоты. Однако эти генераторы применяют в измерительной технике, так как выходное напряжение в них не

зависит от частоты и весь диапазон выходных частот плавно меняется с изменением емкости переменного конденсатора в колебательном контуре генератора регулируемой частоты. По схеме генератора на биениях выполнены генераторы ГЗ-18, ГЗ-104.

RC-генераторы. Наиболее распространенными ИГ низкой частоты являются RC-генераторы, выполненные по схеме, изображенной на рис. 8.1 и характеризующиеся простотой схемы и хорошими характеристиками. Задающий RC-генератор представляет собой двухкаскадный усилитель с RC положительной частотно-зависимой связью (рис. 8.3). Положительная обратная связь создается фазирующим делителем, образованным резисторами и конденсаторами R1, С1 и R2, С2, предназначенными для обеспечения условий самовозбуждения лишь на одной частоте.

Рис. 8.3. Схема RC-генератора

 

Условие генерации напряжения синусоидальной формы

где К=Ке^jφ — комплексный коэффициент передачи усилителя; β = βе^jψ — комплексный коэффициент обратной связи.

Усилитель мощности предназначен для создания необходимой мощности на нагрузке во всем диапазоне генерируемых частот. Напряжение на выходе усилителя изменяется от нуля до максимума с помощью резистора, включенного на его входе. Усилитель состоит из каскадов усиления напряжения и мощности.. 8.4). Напряжение на выходе усилителя измеряется вольтметром.

Вольтметр подключается к входу аттенюатора и служит для контроля выходного напряжения ИГ. Шкала вольтметра отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала — в вольтах, а также в децибелах. Ослабление в децибелах отсчитывается относительно уровня 0,775 В [20 lg {U/0,775)].

По схеме RC-генераторов выполнены ИГ синусоидального напряжения низкой частоты ГЗ-33; ГЗ-34; ГЗ-102; ГЗ-109.