Генераторы низких частот доклад

Обновлено: 17.05.2024

Для измерения параметров различных электронных устройств ис-пользуют электрические сигналы различных напряжений, частот и форм.

Устройства, предназначенные для выработки таких испытательных сигналов, называются измерительными генераторами (ИГ).

С помощью ИГ можно снимать амплитудные, амплитудно-частотные и переходные характеристики четырехполюсников (например, усили-телей), определять их коэффициенты передачи и шума, измерять специальными методами частоты электрических колебаний, настраивать радиопередатчики, радиоприемники, телевизоры и т. п.

ИГ оценивают с помощью следующих характеристик:

1) диапазон генерируемых частот;

2) точность установки частоты и постоянство ее градуировки;

3) стабильность колебаний во времени как по частоте, так и по напряжению и форме;

4) искажения генерируемых колебаний заданной формы;

5) изменение напряжения выходного сигнала при перестройке ча-стоты генератора;

6) зависимость параметров выходного сигнала (частоты, напряже-ния и формы колебаний) от внешней нагрузки и пределы их регули-ровки;

7) степень экранирования паразитных электромагнитных полей.Измерительные генераторы промышленного изготовления разде-ляются на 8 видов (см. § 1-2). По диапазону частот генерируемых колебаний ИГ разделяют на:

инфранизкочастотные (диапазон частот до 20 Гц);

низкочастотные (диапазон частот 20—200 000 Гц);

высокочастотные (диапазон частот 30 кГц — 30 МГц);

сверхвысокочастотные (СВЧ) с коаксиальным выходом (диапазон частот 30 МГц — 10 ГГц);

сверхвысокочастотные с волноводным выходом (частоты выше 10 ГГц).

По форме выходных сигналов ИГ делят на генераторы: синусоидальных сигналов, прямоугольных импульсов, генераторы пилообразного,трапецеидального напряжения и т. д.

В радиолюбительской практике наибольшее применение находят низкочастотные и высокочастотные измерительные генераторы, СВЧ генераторы метровых волн, а также импульсные генераторы.

ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ

Низкочастотные ИГ предназначаются для испытаний усилителей НЧ и видеочастот, градуировки вольтметров переменного тока, питания измерительных схем, регулировок модуляторов радиопередающих устройств и т. п. Они вырабатывают обычно колебания синусоидаль-ной формы.

На рис. 5-1 дана структурная схема низкочастотных ИГ.

Задающий генератор (ЗГ) во многом определяет характеристики измерительного генератора, и его тип часто даст дополнительное название всему прибору, например RС-генератор, LC-генератор, генератор на биениях.

Усилители, применяемые в низкочастотных измерительных генера-торах, обеспечивают развязку задающего генератора от нагрузки, усиливают напряжение (мощность) генерируемых колебаний и, наконец, согласуют выход Задающего генератора с выходным устройством прибора. Для усиления генерируемых колебаний без внесения существенных нелинейных искажений усилители охватывают отрицательными обратными связями и, как правило, применяют двухтактный выход. Регулятор коэффициента усиления (плавный регулятор выходного напряжения) обычно ставят на входе усилителя.

Выходные устройства генераторов предназначаются для регулировки выходного напряжения (мощности) и согласования сопротивления нагрузки с выходным каскадом усилителя. Выполнение последнего весьма важно главным образом для получения максимальной выходной мощности усилителя и минимальных нелинейных искажений.

Выходное устройство может состоять из согласующих трансфор-маторов (одного или нескольких — в зависимости от диапазона частот генератора) и ступенчатых аттенюаторов (ослабителей напряжения или мощности).

Согласующие трансформаторы имеют секционированные вторичные обмотки, что позволяет при определенных значениях внешней нагрузки Rh трансформировать в первичную обмотку трансформаторов всегда одно и то же сопротивление (рис. 5-2).

Обычно согласующий трансформатор рассчитывают для работы на одну из следующих нагрузок: 50, 200, 600 или 5000 Ом. При работе на нагрузку, сопротивление которой много больше 5000 Ом, необходимо включать так называемую внутреннюю нагрузку.

Схема выходного устройства большинства низкочастотных генера-торов имеет симметричный выход, который при необходимости легко может быть преобразован в несимметричный (рис. 5-2), если один из выводов трансформатора, например 2, соединить с корпусом гене ратора.

Контрольные приборы предназначаются для контроля параметров выходного сигнала, а иногда и для измерения токов электронных ламп мощных выходных каскадов усилителей. Наиболее часто — это выпрямительные вольтметры, шкалы которых градуированы в среднеквадратичных значениях синусоидального напряжения.

Ниже рассматриваются некоторые типы низкочастотных генерато-ров с различными по принципу действия задающими генераторами.

А) LC-генераторы

В этих ИГ задающий генератор выполняется по известным схемам самовозбуждения генераторов с резонансными контурами, образован-ными индуктивностью L и емкостью С.

Частота колебаний определяется параметрами контура:

Таким образом, изменять частоту генерируемых колебаний можно путем изменения величины индуктивности или ёмкости контура. Основным недостатком низкочастотных LC-генераторов является громоздкость колебательного контура и сложность его перестройки. Так, например, для генерирования колебаний с частотой f = 20 Гц при максимальной емкости переменного конденсатора контура С = 1000 пФ необходима индуктивность L = 63000 Гц.

По этой причине LC-генераторы низких частот широкого распро-странения не получили.

Генератор – технология, преобразующая одну энергию в другую. В данном случае генератор частот – устройство, преобразующее энергию от источника питания в периодические колебания разнообразной формы. Если говорить простым языком – это электроприбор, создающий различающиеся по форме сигналы с определенной периодичностью.

Генератор низких частот

Генератор низкой частоты – это одна из разновидностей прибора, служащая для генерации разнообразных форм низкочастотных сигналов. Из-за низкой частоты слух человека не способен распознать такие звуки. К тому же период подобных сигналов может изменяться в пределах нескольких минут, что еще больше усложняет восприятие сигналов ухом человека.

Подобные устройства применяются для ремонта, настройки, испытаний различной радиотехнической аппаратуры, работающей в радиовещании, акустике, телевидении и др.

Принято считать, что частотность генератора низких частот варьируется от 20 Гц до 300 кГц. Однако практика показывает, что данные цифровые значения достаточно условны. Ученые усиленно работают над расширением диапазонов в обе стороны. Зачастую генератор низких частот не содержит модуляцию генерируемого сигнала, т.к. они сами и представляют из себя источники модулирующих колебаний.

В любительском использовании можно столкнуться с генераторами НЧ двух видов: гармонических и релаксационных колебаний.

Устройство низких частот имеет следующее строение:

Задающий генератор, который формирует сигналы с учетом определенной частоты и формы. Является автогенератором периодических сигналов. Предназначен для изменения энергии от источника в энергию электромагнитных колебаний. Схема этого генератора влияет на тип низкочастотного генератора: LC или RC.
Усилитель, создающий нужную мощность в указанном диапазоне для начала процесса. Усилитель содержит потенциометр, который помогает менять напряжение от минимума до максимума. С помощью вольтметра измеряется напряжение на выходе, а затем поступает на выходное устройство. Его составляют аттенюатор и согласующий трансформатор.
Аттенюатор ослабляет выходной сигнал, а значит устанавливает нужную величину выходного напряжения.
С помощью согласующего трансформатора изменяется выходное сопротивление устройства, а значит согласовывается выходное сопротивление генератора и сопротивление нагрузки. Схема выходного устройства значительно влияет на выходное сопротивление прибора.
Блок питания, обеспечивающий питанием все блоки генератора с помощью преобразования напряжения сети переменного тока в постоянный ток.

Их взаимодействие представляет собой схему измерительного генератора низких частот.

Преимущества ГНЧ

Такой прибор имеет ряд преимуществ:

Позволяют испытать, настроить и отремонтировать любую звуковую аппаратуру.
В устройстве используются задающие генераторы RC-типа, имеющие простую конструкцию, стабильность колебаний на частоте, форме и величине выходного напряжения, что гарантирует легкость и надежность в использовании.
Работа RC генератора основана на использовании частотно избирательных свойств RC цепей, включённых в цепь положительной обратной связи усилителя, что гарантирует максимальную точность в конечных показателях.
Доступность и простота в использовании. Конструкция аппарата очень простая и не требует специализированной подготовки для ее использования. К тому же сам прибор не несет какой-либо опасности поэтому имеет широкое распространение среди гражданских масс.
Широкий спектр применения. Прибор может быть использован не только в научных целях, но и в элементарных бытовых.
Устройство работает с частотой звуков, недоступной человеческому слуху и большинству приборов, выводя показатели в цифровых значениях, т.е. информация становится простой и понятной в независимости от того, может ли человек самостоятельно проверить ее с помощью органов чувств.
Обычно выходной усилитель генератора низких частот — двухтактный усилитель мощности, что дает возможность получения от устройства максимальной мощности при минимальных нелинейных искажениях.

Можно увидеть, что подобная техника имеет достаточно обширный ряд преимуществ, на которые стоит обратить внимание.

Недостатки ГНЧ

Несмотря на огромное количество плюсов, прибор имеет также и некоторые минусы:

Отдача максимальной мощности возможна только в случае, если выходное сопротивление генератора равняется входному сопротивлению нагрузки. Это приводит к работе на согласованную нагрузку, но если условия не соблюдаются, то включается режим холостого хода. Во избежание такого используется согласующий трансформатор, однако присутствует он не везде и иногда требует дополнительной установки.
LC-генераторы имеют громоздкий колебательный контур, который сложно перенастроить.
При частотах выходного сигнала, стремящимися к нулю, возможен захват частот генераторов или иначе – самосинхронизация.

Однако представленные отрицательные стороны использования ГНЧ не являются слишком значительными, однако следует и на них обратить внимание.

Вывод

Рассматриваемый прибор получил распространение не только в научных кругах, но и в бытовых. Сейчас им активно пользуются не только в профессиональных сферах деятельности (на работе), но и для самостоятельного ремонта радиоинструментов, их проверки и перенастройки. Т.е. можно сказать, что ГНЧ полезен во всех сферах жизни, имея ряд преимуществ, главным из которых является простота в использовании и доступность.

Главный недостаток для неопытных пользователей – громоздкость колебательного контура в LC-генераторах, который ко всему сложно перенастроить. Однако во избежание этой проблемы на помощь приходит генератор RC-типа, обеспечивая максимальное удобство.

При выборе частотного прибора нужно учитывать его функционал и максимальную частоту: чем большую частоту он может выдать, тем дороже будет стоить.

Низкочастотные генераторы, или генераторы низких частот (ГНЧ), являются источниками синусоидального сигнала в разных диапазонах частот: F 200 кГц.

ГНЧ применяются для всестороннего исследования трактов радиоприемных устройств, для питания мостов переменного тока и пр.

Рис. Структурная схема аналогового ГНЧ.

Задающий генератор определяет форму и все частотные параметры сигнала: диапазон частот, погрешность установки частоты, нестабильность частоты, коэффициент нелинейных искажений.

Если на лицевой панели прибора форма сигнала не указана, то она всегда синусоидальная. В качестве задающего используются генераторы типа RC.

Усилитель ослабляет влияние последующих блоков на задающий генератор, делая его частотные параметры более качественными, обеспечивает усиление сигнала по напряжению (мощности) и позволяет плавно изменять напряжение на выходе.

Согласующий трансформатор предназначен для ступенчатого согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением подключаемой нагрузки. Согласующий трансформатор используется в генераторах с повышенным уровнем выходной мощности. У большинства низкочастотных генераторов этот трансформатор отсутствует.

Переключатель нагрузки обеспечивает согласование выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки . Если не выполняется согласование, то напряжение на выходе не соответствует установленному по индикатору генератора, генератор даже может выйти из строя. Наиболее распространенными значениями являются 5,50,600 и 6 000 Ом.

Аттенюатор обеспечивает получение на выходе разных по значению напряжений, изменяющихся дискретно. При этом входное и выходное сопротивления аттенюатора не меняются и согласование не нарушается. Иногда ослабление указывается не в вольтах, а в децибелах.

Цифровые ГНЧ по сравнению с аналоговыми имеют более качественные метрологические характеристики: меньшую погрешность установки и нестабильности частоты, меньший коэффициент нелинейных искажений, стабильность уровня выходного сигнала,

Они имеют более высокое быстродействие, упрощение установки частоты, исключение субъективной ошибки в задании параметров выходного сигнала.

Рис. Структурная схема цифрового ГНЧ.

Задающий генератор импульсов с кварцевой стабилизацией частоты вырабатывает короткие импульсы в периодической последовательности, которые поступают на делитель частоты. На выходе делителя частоты с регулируемым коэффициентом деления образуется последовательность импульсов с заданным периодом следования, определяющим шаг дискретизации.

Счетчик подсчитывает поступающие на него импульсы, кодовая комбинация накопленных в счетчике импульсов подается в цифро-аналоговый преобразователь, который вырабатывает соответствующее напряжение. После переполнения счетчик обнуляется и готов к началу формирования следующего периода.

Рис. Структурная схема аналогового ГНЧ.

Рис. Структурная схема цифрового ГНЧ.

Генераторы сигналов – приборы, позволяющие получать электрические, акустические и иного рода импульсы. Устройства бывают разных видов — обычно прибор подбирают под конкретную цель. Решающими факторами при выборе могут оказаться форма прибора, его статические функции и энергетические показатели. Устройство применяют в разных сферах — как в медицине, так и в быту (стиральные машины, микроволновки).

Историческая справка

Первый генератор был создан в 1887 году немецким физиком Германом Герцем. Прибор разрабатывался на основе индукционной катушки (или катушки Румкорфа). Он был искровым и вырабатывал электромагнитные волны. Потом история развивалась так:

1913 г. Другой немецкий ученый, Александр Мейснер, создал электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом.
1915 г. Появилась ламповая (или индуктивная) схема. Включение контура было автотрансформаторным, что отличало его от ранних изобретений. Идея принадлежала американскому физику Ральфу Хартли.
1919 г. На этот раз идея снова принадлежит американцам. Ученый Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, подключаемое к колебательному контуру посредством емкостного разделителя напряжения.

Это было лишь начало. Позже инженерами разных стран было создано множество вариаций электронных генераторов.

Как устроен генератор сигналов?

Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.

Стандартная модель сигнального генератора состоит из нескольких частей:

Экран на передней панели. Нужен для отслеживания колебаний и управления ими.
Редактор. Расположен в верхней половине экрана. Позволяет выбрать функцию.
Секвенсор. Размещён чуть ниже редактора, дает информацию о частоте колебаний.
Регулятор. Контролирует и настраивает частоту изменений.
Выходы сигналов. Обычно располагаются под экраном в самом низу прибора. Рядом – кнопка включения оборудования.

Смещение сигнала и его амплитуда обычно регулируются 2 кнопками. Работа с файлами происходит через мини-панель. Она дает пользователю просмотреть результаты тестирования или сохранить их для будущего анализа.

Принцип действия

Рассмотрим схему действия на примере простейшего электронного генератора. Есть проводник и магнитное поле, по которому он движется. В качестве проводника обычно используют рамку.

Принцип действия таков:

Рамка крутится внутри поля и пересекает линии магнитной индукции, отчего образуется электродвижущая сила.
Электродвижущая сила воздействует на ток, который начинает двигаться по рамке.
Электроток проникает в наружную цепь за счет контактных колец.

Схема генератора похожа на схему усилителя. Разница в том, что у первого нет источника входного сигнала. Он заменяется сигналом положительной обратной связи (ПОС).

В процессе обратной связи (ОС) часть выходного сигнала направляется на входную цепь. Структура такого импульса задается спецификой цепи обратной связи. Чтобы обеспечить нужную периодичность колебаний, цепи ОС создают на базе LC или RC-цепей. Частота будет зависеть от времени перезарядки конденсатора.

После формировки в цепи ПОС сигнал отправляется на вход усилителя. Там он умножается в несколько раз и поступает на выход. Оттуда часть отправляется на вход посредством цепи ПОС и снова ослабляется, возвращаясь к исходному значению. Благодаря такой схеме внутри устройства поддерживается постоянная амплитуда выходного сигнала.

Как устроен генератор смешанных сигналов?

Принцип действия генератора смешанных импульсов направлен на то, чтобы ускорить образование сигналов и воспроизводить их с максимальной точностью. Передняя панель прибора снабжена органами управления для контроля самых важных и часто изменяемых параметров. Менее востребованные и редко используемые функции можно найти в меню на основном экране.

Регулятором уровня устанавливается амплитуда движения выходного сигнала. Амплитуду и смещение можно регулировать без входа в многоуровневую систему меню.

Отдельный регулятор также позволяет изменить частоту дискретизации путем изменения периодичности выходного сигнала. При этом форму последнего этот настройщик изменить не сможет. Такая функция есть лишь в меню на основном экране редактирования. Форму выбирают при помощи сенсорной панели или мышки. Пользователь открывает нужную страницу и просто заполняет бланк с цифровой клавиатуры или поворотной ручкой.

Виды генераторов сигналов

Приборы различаются по ряду характеристик. Например, по форме сигнала (синусоидальные, прямоугольные, в виде пилы), по частоте (низкочастотные, высокочастотные), по принципу возбуждения (независимое, самовозбуждение). Однако существует несколько основных видов — о них и расскажем подробнее.

Синусоидальный

Прибор усиливает первоначальный синусоидный код в десятки раз. На выходе получается частота до 100 МГц. При этом исходный синус, как правило, не превышает 50 МГц. Генераторы синусоидального импульса активно используют при проверке блоков питания, инверторов и другой высокочастотной техники, а также радиоаппаратуры.

Генератор низкочастотный

Ниже схема самого простого низкочастотного генератора. На ней видно, что в приборе присутствуют переменные резисторы. Они позволяют корректировать форму и частоту сигнала. Изменить силу импульса можно подключенным модулятором KK202.

Такой прибор подойдет для настройки аудиоаппаратуры (звуковых усилителей, проигрывателей). Наиболее доступным вариантом низкочастотного генератора является обычный компьютер. Достаточно скачать драйверы и подключить его к аппаратуре через переходник.

Генератор звуковой частоты

Стандартная конструкция с микросхемами внутри. Напряжение подается в селектор, а сам сигнал генерируется в одной или нескольких микросхемах. Частоту можно настраивать при помощи модуляционного регулятора. Прибор отличается более обширным диапазоном частоты, чем аналоги (до 2000 кГц).

Импульсы произвольной формы

Генераторы с импульсами произвольной формы имеют повышенную точность. Погрешность минимальная — до 3%. Выходной импульс подвергается тонкой регулировке с применением шестиканального селектора. Прибор вырабатывает частоту от 70 Гц.

Устройства делят по степени синхронизации. Зависит она от типа коннектора, который установлен в прибор. Поэтому сигнал может усиливаться за 15-40 ньютон-секунд. Некоторые модели работают на 2 режимах – линейном и логарифмическом. Режим меняется переключателем, за счет чего корректируется амплитуда.

Контроллеры сложных сигналов

В сборке присутствуют только многоканальные селекторы, так как приборы получают импульсы сложной формы. Сигналы многократно усиливаются, режим можно изменить при помощи регулятора. Вариацией такого прибора считается DDS (устройство по схеме прямого цифрового синтеза).

Базовая плата оборудуется микроконтроллерами, которые легко снимаются и ставятся на место. В некоторых моделях можно заменить микроконтроллер одним движением. Если редактор монтированный, ограничители установить нельзя. Прибор генерирует измерительный сигнал мощностью до 2000 кГц с погрешностью до 2%.

Генератор цифрового сигнала

Цифровые генераторы популярны, потому что отличаются высокой точностью. Пользоваться ими удобно, однако они нуждаются в тщательной настройке. Здесь стоят коннекторы KP300, резисторы достигают сопротивления от 4 Ом. Это позволяет добиться предельно допустимого внутреннего напряжения в схеме.

Области применения

Генераторы сигналов используют современные лаборатории разработчиков электронных и измерительных приборов. Одинаковые генераторы могут применяться в кабинетах от начального до продвинутого уровня.

Однако эти функциональные устройства применяют для настройки и тестирования оборудования и в областях, более доступных обывателю. Вот лишь неполный список устройств, которые используют генераторы:

мобильные телефоны, техника для передачи данных, радио- и телеприемники;
вычислительные приборы;
инверторы, источники бесперебойного питания от электричества или импульсов;
бытовые приборы (СВЧ-печи, стиральные и посудомоечные машины);
измерительные приборы (амперметры, вольтметры, осциллографы);
медицинская аппаратура (томографы, электрокардиографы, аппараты УЗИ).

Находчивые пользователи применяют устройства и для иных целей. Например, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а RStamp SMA100A хорошо показал себя в регулировке аэронавигационных систем.

Читайте также: