Исследование работы и основных характеристик измерительного генератора низкой частоты

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

Национальный аэрокосмический университет
им. М.Е Жуковского
"Харьковский авиационный институт"

 

Факультет радиотехнических систем летательных аппаратов

 

 

Кафедра приема, передачи и обработки сигналов

№504

 

Лабораторная работа №1

 

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ И ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

 

Харьков 2015

Цель работы - изучение функциональной схемы, основных технических характеристик, конструкции измерительного генератора низкой частоты, а также приобретение практических навыков использования этого генератора.

 

1.1 Общие сведения

Электронные генераторы стандартных сигналов (ТСС) относятся к уст­ройствам измерительной техники, которые наиболее широко используются при решении экспериментальных задач в радиоэлектронике, автоматике, медицин­ских исследованиях. Генератором синусоидальных сигналов называют элек­тронное устройство, которое превращает энергию источника питания в энергию колебаний переменного напряжения, например, синусоидальной формы с требуемой частотой и амплитудой, на выходе которого в установившемся режиме есть сигнал, близкий к гармоническому

 

Для оценки свойств ГСС и определения целесообразности их использова­ние в этих или других экспериментах и измерительных задачах, используется ряд показателей, которые характеризуют метрологические и эксплуатационные возможности прибора. Основными электрическими параметрами генератора, которые характеризуют его эксплуатационные возможности в установленном режиме есть: частота и амплитуда выходного сигнала; диапазон частот - инфранизкочастотныи, низкочастотный, высоко- и сверхвысокочастотныи; диапазон регулировки уровня выходного сигнала; мощность, которая потребляется генератором.

К основным характеристикам, которые оценивают ГСС в стационарном режиме, относят:

- стабильность уровня выходных колебаний

 

σ_f = Δf / f₀

 

где f₀ номинальная частота; Δf - абсолютное отклонение частоты под влиянием дестабилизирующих факторов;

- стабильность уровня выходных колебаний

 

σ_a = Δa / a₀

где a₀- номинальная амплитуда; Δa -абсолютное изменение амплитуды под влиянием дестабилизирующих факторов;

- коэффициент гармоник

 

где - амплитуды высших гармоник в выходном напряжении генератора.

Перечисленные показатели довольно полно характеризуют качество установившихся колебаний в режиме ручной перестройки параметров выходного сигнала, когда время установки новых значений частоты и амплитуды не имеет весомого значения.

Развитие научно-технического прогресса, необходимость увеличения производительности работы при производственных испытаниях и в научных исследованиях поставили новые задачи перед разработчиками ГСС. Так, одной из актуальных проблем современного приборостроения есть создания автома­тизированных систем для научных исследований (АСНД) и производственных

измерений, в которых ГСС используется как источник сигнала, который изме­няется по заданной программе ЭВМ. Использование генератора синусоидальных сигналов в качестве функциональных элементов таких систем предъявляет ряд дополнительных требований к их показателям, которые связаны почти с полным исключением человека-оператора из процесса исследования. Время перестройки параметров генератора определяет производительность АСНД в целом, поэтому приобретают особое значение метрологические характеристики, которые оценивают такие динамические свойства ГСС:

- время установки колебаний с заданным качеством после перестройки их параметров (время переходного процесса);

- точность управления в динамическом режиме при развертке частоты и изменении амплитуды по заданным функциональным законам.

Сокращение времени установления колебаний после перестройки частоты или амплитуды особенно важно для инфранизкочастотных генераторов, в которых продолжительность периода выходного сигнала может составлять сотни и тысячи микросекунд.

Для определения возможности использования ГСС в разнообразных экс­плуатационных условиях предоставляют дополнительные сведения: наличие электронного управления частотой и амплитудой генерируемых колебаний; вид кода и значение управляющих сигналов; наличие программируемых встроенных устройств, которые характеризуют функциональные и экономические возможности прибора.

Основным функциональным узлом, который многое определяет как в достижении метрологических и эксплуатационных показателей, так и в схемо­технической и конструкционной сложности генератора, есть автоколебательная система (АКС), которая превращает энергию источника питания в энергию ко­лебаний периодического сигнала. Для полного и общего представления воз­можных видов ГСС и выявление их свойств целесообразно рассмотреть осно­вополагающие принципы генерирования периодических сигналов, которые используются при проектировании АКС.

 

Принципы генерирования и формирования синусоидальных сигналов

 

Наиболее распространены в настоящее время генераторы, которые стро­ятся на основе автоколебательных систем, близких к консервативным, в которых математическая модель АКС может быть представлена в виде:

где ɛ «1 - малый параметр; Ф{у(t,у(t)} - некоторая, в общем случае нелинейная функция выходного сигнала. Если в установленном (синусоидальном) режиме выполняется условие

 

то выходной сигнал АКС у(t) приближается к чисто гармоническому колебанию. В наиболее общем виде АКС генераторов этого класса возможно изобразить двумя схемами в виде замкнутых структур (рисунок 1.1), которые превращают энергию постоянного тока источника питания в энергию колебаний переменного тока у(t) требуемой частоты и амплитуды. Автоколебательные системы содержат линейное частотно-задающее звено (ЛЧЗЗ), которое определяет частоту колебаний, усилитель У, который нужный для компенсации потерь в системе, и устройство стабилизации амплитуды (УСА), которое определяет амплитуду сигнала, который генерируется.

Частота и амплитуда выходного сигнала у(t) перестраиваются согласно изменениям параметров ЛЧЗЛ и УСА, причем в зависимости от назначения и конкретного выполнения генератора, внешнее влияние и на ЛЧЗЛ и УСА осуществляется или механическим способом, т.е. вручную, или с помощью элек­тронного сигнала. В последнем случае имеется возможность программного управления и построения специальных систем стабилизации частоты и ам­плитуды выходного сигнала.

 

Рисунок 1.1- Функциональные схемы квазиконсервативных автоколебательных систем генераторов синусоидальных сигналов

 

К этой группе относятся известные серийные генераторы на селективных КС-цепях, такие как ГЗ-102, ГЗ-107, ГЗ-113 и прочие. Основным положитель­ным качеством генераторов, выполненных на основе квазиконсервативных сис­тем, есть возможность генерирования сигналов в широком диапазоне от 0.001 до 10⁷ Гц с малыми и сверхмалыми нелинейными искажениями (0,001-0,5%) и высокой стабильностью амплитуды (0.1 - 0.5%).Использование систем автома­тической стабилизации в генераторах этого класса разрешает обеспечивать не только высокую стабильность и точность установки частоты, но и управление параметрами колебаний по разнообразным функциональным законам.

Рядом с этими положительными параметрами необходимо отметить, что обеспечение такого важного показателя, как быстродействие процессов уста­новления при перестраивании параметров колебаний, встречает при разработке генераторов этой группы известная трудность, обусловленные недостаточной изученностью АКС как объектов управления.

Ко второй группе отнесем ГСС, в которых источником колебаний явля­ются релаксационные колебательные системы. В этом случае генерируемые периодические колебания у(t) могут сильно отличаться от синусоидальных и обычно имеют треугольную, пилообразную или прямоугольную форму. Для формирования синусоидального сигнала в генераторах подобного типа, кроме линейных операций, осуществляется нелинейное функциональное преобразо­вание сигнала у(t), которое позволяет получить выходной сигнал, близкий к си­нусоидальному. Поэтому ГСС этого типа получили название функциональных генераторов (ФГ). Пример построения функционального генератора приведен на рисунок 1.2. Колебательная система ФГ содержит интегратор (ИН), релейный элемент (РЭ) заперт отрицательной обратной связью через ключевой элемент КЭ.

 

 

Рис. 1.2 - Структура функционального генератора

 

В стационарном режиме на выходе интегратора существует периодиче­ский сигнал треугольной формы с амплитудой, которая равняется порогу переключения РЭ и частотой f=k₀I₀/2T_i, определяемой значением зарядного тока управляемых источников ±I₀, постоянной интегрирование и зоной нечувстви­тельности b релейного элемента. Для получения сигнала синусоидальной формы используется функциональный преобразователь (ФП) треугольник - синус. Очевидно, что характеристики ФП определяют как стабильность амплитуды, так и уровень нелинейных искажений выходного сигнала.

Обзор существующих сведений об этих генераторах позволяет сделать выводы, что основным преимуществом этих генераторов является возможность получения сигналов разнообразной формы и простота управления их частотой, которая обеспечивается изменением значения тока.

Особую группу ГСС составляют генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты (генераторы - синтезаторы), которые предназначены для использования в системах и приборах, нуждающихся в высокой точности установления и стабильности частоты, например, при проверке узкополосных кварцевых фильтров и в испытаниях систем многоканальной телеметрии, в сис­темах космической связи и допплеровской радиолокации. Работа генераторов- синтезаторов состоит в формировании дискретного или беспрерывного множе­ства колебаний рабочих частот n, которые образованы из частот опорного кварцевого генератора.

 

Рисунок 1.3 - Функциональная схема генератора- синтезатора

 

На рисунке 1.3 приведена схема генератора- синтезатора, которая иллюстрирует метод косвенного когерентного синтеза. Колебания управляемого генератора, (УГ) с частотой f, через делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) поступают на вход фазового детектора (ФД). Одновре­менно на второй вход ФД, через делитель частоты (ДЧ), поступают опорные колебания с частотой f₀/n. В результате сравнения фаз двух колебаний на выходе ФД формируется напряжение U_f, которое поступает на вход УГ через управляющее устройство (УУ) и подстраивает исходную частоту f_n. При этом напряжение U_f пропорционально интегралу от разности частот и f_n/K_d и f₀/n, что обеспечивает астатизм системы и полностью исключает ошибку автоподстрой­ки. Выходные колебания УГ и кварцевого генератора смешиваются смесителем (СМ), на выходе которого синтезируется сигнал разностной частоты. Управляя коэффициентом передачи ДПКД, возможно перестраивать частоту выходных колебаний в широком диапазоне от сотых долей герца до единиц мегагерц.

Для управления и стабилизации амплитуды используется блок системы стабилизации (СС), структура и характеристика которой определяют такие метрологические показатели, как точность и стабильность амплитуды в частотном и температурном диапазонах.

Разнообразные модификации рассмотренного принципа, который используется, например, в генераторах ГЗ-110, ГЗ-111, позволяет получить выходные колебания с высокой точностью и стабильностью частоты, сравнительно несложную схемотехническую реализацию, управление параметрами колебаний и соединение с ЭВМ. Объединение высокой стабильности частоты (f=10^-5..10^-7) с

возможностью дискретной ее перестройки с шагом, который измеряется деся­тыми и сотыми долями герца, позволяют успешно использовать низкочастотные ГСС этой группы в аппаратуре для обработки информации. При этом наличие цифрового дистанционного управления частотой позволяет использовать эти приборы в разнообразных автоматизированных системах.

Группу приборов, которые в последнее время интенсивно развиваются, составляют цифро-аналоговые генераторы (ЦАГ).

Принципы построения ЦАГ синусоидального сигнала можно изобразить структурой, которая приведена на рисунок 1.4 а. Дискретные значения сигнала У*(t) в генераторе формируются цифровым функциональным преобразователем (ЦФП). Временную развертку текущего значения аргумента осуществляет ре­версивный счетчик (РС), при этом период сигнала, который формируется, зада­ется частотой f_τ генератора тактовых импульсов (ГТИ). Для получения сигнала в аналоговой форме используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Возможная схема ГТИ показана на рисунок 1.4 б. В ней используется гене­ратор с фазовой подстройкой частоты, подобный тем, которые работают в ге­нераторах-синтезаторах. Отличие этой схемы заключается в более простой схемной реализации, обусловленной отсутствием жестких требований к форме тактовых импульсов.

Стабильность частоты фактически определяется стабильностью кварце- вогогенератора (КГ), который используется в этой схеме.

Развитие интегральной микросхемотехники, усовершенствование и расширение возможностей больших интегральных схем обуславливают перспек­тивность дальнейшего развития и использование ЦАТ, которые разрешают формировать гармонические сигналы от инфракрасных частот к значениям в десятки и сотни герц с достаточно малыми нелинейными искажениями (0.2...0.5%), высокой стабильностью амплитуды и частоты, возможностью про­граммного управления параметрами колебаний и несложной связью с ЭВМ.

 

Рисунок 11.4 - Цифро-аналоговый генератор:

а - структура генератора синусоидального сигнала;

б - схема генератора тактовых импульсов

 

Основным недостатком таких генераторов является ограниченность верх­него предела частотного диапазона, который определяется при заданных требо­ваниях к коэффициенту гармоник и быстродействию цифровых элементов.

Из рассмотренного сравнения принципов построения генераторов сину­соидальных сигналов можно сделать выводы, что генераторы на АКС, близких к консервативным, имеют наиболее широкое использование. Входя в группу самостоятельных приборов, они используются и в качестве функциональных элементов в других системах ГСС. Отличаясь высокими показателями по уров­ню нелинейных искажений, генераторы на АКС, близких к консервативным, уступают другим генераторам (ФГ и ЦАГ) по стабильности амплитуды и часто­ты, если не использовать специальных мер по стабилизации параметров коле­баний. Использование систем автоматической стабилизации этих параметров может весомо улучшить метрологические характеристики генераторов этой группы.

 

1.2 Описание измерительной установки

 

Измерительная установка состоит из набора приборов для поверки генератора ГЗ-112: частотомера Ч3-35А и вольтметра ВЗ-38А. Для визуализации колебаний генератора используется осциллограф С1-55. Генератор ГЗ-112, который поверяется, используется с присоединенным к выходу стандартным сопротивлением нагрузки 50±0,5 Ом.

 

1.3 Задание по экспериментальной и расчетной частям

 

1. Провести измерение стабильности выходной частоты генератора при его прогреве (частоты указаны в таблице 1.1).

2. Провести измерение частоты генератора на отметках шкалы 10, 20, 30, 60 и 100 под диапазонов 4,5 и 6.

3. Измерить неравномерность выходного напряжения сину­соидального сигнала генератора.

4. Проверить работу аттенюатора в пределах 10...70 дБ.

 

1.4 Порядок выполнения работы

 

1. Определение стабильности частоты генератора.

Для измерения стабильности частоты генератора необходимо:

- ручкой "ЧАСТОТА" генератора установить необходимое значение час­тоты;,

-ручкой "dB" - уровень выходного сигнала;

- ручку "РОД РАБОТЫ" частотомера установить в положение "ЧАСТОТА А"; ручку "Ручн.-авт." - в положение "Ручн.".

Включить питание генератора и частотомера и в течении 15-20 минут произвести замеры на указанных частотах. Повторить измерения порядка 10 раз. Для выполнения измерения нажать кнопку "Пуск".

Результаты десяти измерений каждой частоты занести в таблицу 1.1.

2. После прогрева генератора необходимо выполнить проверку градуировки шкалы.

Для этого:

- ручкой "ЧАСТОТА" генератора установить заданное значение частоты;

- ручкой "dВ" - установить уровень выходного сигнала;

- ручку "РОД РАБОТЫ" частотомера установить d положение "ЧАСТО­ТА А";

- ручку "Ручн.-авт." - в положение "Ручн.".

Определение частоты выполняют ме­тодом непосредственного измерения электронно-счетным частотомером Ч3-35А, который присоединен к выходу генератора, при сопротивлении нагрузки 50±0.5 Ом и выходном напряжении 5 В на отметках 10, 20, 30, 60 и 100 поддиа­пазонов 4,5,6.

Установку проводят дважды: при подходе по шкале частот со стороны больших и меньших значений. Результаты измерений и обработки занести в таблицу 1.2.

Таблица 1.1 Отметка шкалы IV V VI   f↑, Гц f↓, Гц f↑, Гц f↓, Гц f↑, Гц f↓, Гц

 

3. Неравномерность уровня выходного напряжения синусоидального сиг­нала при перестройки частоты определяется на выходе генератора (относитель­но частоты 1000 Гц) вольтметром В3-38А на частотах 20, 40, 100Гц (I поддиа­пазон); 100, 400, 1000 Гц (II поддиапазон); 1, 4, 10 кГц (III поддиапазон); 10, 40, 100 кГц (IV поддиапазон); 100, 400, 1000 кГц (V поддиапазон).

Для поверки на частоте 1000 Гц устанавливается выходное напряжение 5 В при сопротивлении нагрузки 50±0,5 Ом и контролируется вольтметром ВЗ-38А, а затем выполняются измерения на указанных выше частотах.

4. Измерение показателей аттенюатора генератора выполняется от 0 до 70 дБ.

Для проведения измерений ручку аттенюатора " dВ" установить в нулевое положение. При нагрузке на выходе генератора 50±0,5 Ом ручкой плавного регулирования выходного напряжения по шкале вольтметра ВЗ-38А установить напряжение 5 В на частоте 1 МГц. Изменяя последовательно послабление аттенюатора от 10 до 70 до, выполнить измерение выходного напряжения, пользуясь вольтметром ВЗ-38А.

Внимание!

Обязательно после окончания измерений напряжения входной переклю­чатель вольтметра ВЗ-38А возвратить в положение 10 В.

Таблица 1.3 Положение аттенюатора, дБ               Uизм, В

По табл. 1.3 построить график.

 

1.5 Список рекомендованной и использованной литературы

1. Вавилов А.А., Солодовников А.И., Шнайдер В.В. Низкочастотные измери­тельные генераторы. - Л.: Энергоиздат, 1985. - 104 с.

2. Дорожовець М., Мотало В., Стаднік Б.та ш. Основи метрології та вимірювальної техніки. Т.1-Львів.: Львівська політехніка, 2005.

 

Выводы:

---

Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 85; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!