Теоретическая часть. Для создания стабильного по частоте и фазе сигнала используют кварцевые генераторы, имеющие высокую стабильность частоты

Для создания стабильного по частоте и фазе сигнала используют кварцевые генераторы, имеющие высокую стабильность частоты. Кварцевые генераторы частоты имеют более высокие показатели по стабильности и их нестабильность частоты составляет порядка . Еще лучшую стабильность частоты обеспечивают квантомеханические генераторы частоты, действие которых основано на использовании электромагнитного излучения атомов определенного химического элемента при переходе их из одного энергетического состояния в другое. На этой основе созданы водородные цезиевые и рубидиевые генераторы, которые обеспечивают формирование высокостабильных сигналов на нескольких (порядка 3) значениях частот. При необходимости иметь большой набор генерируемых частот используют кварцевые синтезаторы частот.

Синтезаторами частоты называют специальные генераторы гармонических напряжений с дискретной перестройкой частоты и стабильностью, равной стабильности частоты лучших кварцевых генераторов Они обеспечивают синусоидальную форму, высокую спектральную «чистоту», большую точность установки и возможность программной перестройки частоты. Синтезаторы позволяют получать напряжения фиксированных частот с дискретностью (сеткой частот) до сотых долей герц. По точности установки и стабильности частоты синтезатора превосходят обычные измерительные генераторы с плавной перестройкой частоты, Они легко сопрягаются с автоматизированными информационно-измёрительными системами.

Кварцевые синтезаторы частоты многочастотные генераторы гармонических напряжений с дискретной перестройкой частоты. Упрощенная структурная схема аналогового синтезатора частоты показано на рисунке 1. В нее входят кварцевый генератор частоты fo, устройство формирования опорных частот f_]....f_n, устройство переключения, подключающее на выход сигнал нужной частоты, цифровое отсчетное и выходное устройства.

В современных высококачественных широкодиапазонных измеритель-ных генераторах требование высокой стабильности частоты и возможности ее быстрой перестройки являются трудно совместимыми. Поэтому при разработке синтезаторов частоты переходят к дискретному перекрытию частотного диапазона, при котором допускается генерирования сигналов на любой из множества частот, следующих друг за другом с определенным фиксированным интервалом, называемым шахом дискретной сетки.

Рисунок 1- Упрощенная структурная схема синтезатора частот

На рисунке 2 показана структурная схема аналогового синтезатора частоты с цифровым управлением, в которую входит опорный кварцевый генератор ОКГ, управляемый делитель частоты УДЧ, управляемый генератор УД фазовый детектор ФД с цепью фазовой автоматической подстройки частоты и программируемое' цифровое устройство ПЦУ. На фазовый детектор подают два колебания: первое со стабильной частотой f_0Tl — от ОКГ; второе с частотой f /N ~ f_0ll через УДЧ с коэффициентом деления N — от У Г. Напряжение с выхода фазового детектора через фильтр нижних частот ФНЧ воздействует на управляемыйгенератор и подстраивает его до обеспечения равенства частот f /N и f_0ll

Рисунок 2 - Структурная схема аналогового синтезатора частот

Изменяя с помощью ПЦУ коэффициент деления N, можно получить требуемую сетку частот с шагом, равным ion. Поскольку.выходная частота синтезатора связана с частотой опорного кварцевого генератора как-то относительные нестабильности этих частот равны. Если в таком синтезаторе требуется стабилизировать очень низкую частоту, то между опорным кварцевым генератором ифазовым детектором необходимо дополнительно ввести делитель частоты ДЧ.

Представленный простейший вариант синтезатора частоты имеет серьезные недостатки, Первый из них связан с конечностью шириныполосы синхронизации управляемого генератора,_.которая зависит от управляющих элементов генератора и коэффициентов передачи ФД и ФНЧ.

Поэтому для получения широкой сетки частот приходится изменять собственную частоту f управляемого генератора, Второй недостаток обусловлен узкими возможностями УДЧ, построенного, как правило, на основе счетчика импульсов. Введением ОС в делителе частоты можно изменять его коэффициент деления, который будет принимать любые целочисленные значения, допустимые разрядностью счетчика.

Цифровые синтезаторы измерительных сигналов, Прогресс области микропроцессорной техники обусловил появление измерительных генера-торов с новыми принципами формирования сигналов. Достоинством цифровых методов синтеза является малое время установления частоты колебаний при перестройке,что важно для функционирования быстродейст-вующих автоматизированных систем.

В современных синтезаторах часто требуется использовать дробные значения коэффициента деления частоты. Метод дробного преобразования частоты используют в новейших разработках цифровых синтезаторов, реализуемых по следующей базовой схеме (рисунок 3) В таком синтезаторе коэффициент деления программно-управляемого делителя частоты ПУДЧизменяют во времени, формируя последовательность временных циклов определенной длительности.

Рисунок 3 - Структурная схема цифрового синтезатора частоты

Полученный цикл также делят на несколько подциклов. в течение каждого из которых коэффициент деления постоянен. Изменение коэффициента деления производится в момент перехода от одного подцикла к другому таким образом, чтобы средний за время цикла коэффициент деления был равен заданному. В схеме цифрового синтезатора частоты используют цифровой фазовый детектор ЦФД, ЦАПи микропроцессор МП.

Подстройку выходной частоты производят в конце каждого цикла. Для этого используютуправляемый генератор, напряжение подстройки частоты, на который подают с ЦАП.Сигнал управления (ошибки, рассогласования) вырабатывается ЦФД и его уровень соответствует значению средней за время цикла разности фаз колебаний, получаемых от опорного кварцевого генератора и управляемого генератора, Затем сигнал управления с ФД подают на МП, который через ЦАП по заданному коду требуемой частоты осуществляет программное управление схемой ПУДЧ.

Генератор сигналов низкочастотный ГЗ-118 представляет собой источник синусоидального, сигнала прецизионной формы волны и предназначен для исследования, настройки и испытаний систем и приборов.

Генератор ГЗ-118 применяется в области радиоэлектроники, связи, автоматики, вычислительной и измерительной техники, приборостроении.

Частота выходного сигнала устанавливается в диапазоне от 10 Гц до 200 кГц. Установка частоты осуществляется дискретно на пяти поддиапазонах.

Генератор ГЗ-118 представляет собой RC-генератор с дискретной установкой частоты и системой стабилизации уровня выходного напряжения. В частотозадающей цепи генератора использован активный режекторный фильтр; стабилизация амплитуды осуществляется системой автоматического регулирования.,

Структурная схема генератора приведена на рисунке 1. Основой прибора является задающей генератор (ЗГ), представляющий собой усилитель, охваченный цепью регулируемой частотонезависимой положительной обратной связи и двумя цепями отрицательной обратной связи.

Рисунок 1. Структурная схема генератора сигналов ГЗ-118

Одна из цепей отрицательной обратной связи частотонезависимая, другая, содержащая активный режекторный фильтр (АРФ) является частотозадающей RC-цепью.

На частоте резекции коэффициент передачи цепи, содержащий АРФ, стремится к нулю. В этом случае усилитель остается охваченным положительной и отрицательной частотонезависимыми обратными связями, коэффициенты передачи которых обеспечивают генерирование схемой синусоидального сигнала с частотой, равной частоте режекции АРФ. На частотах, отличных от частоты режекции, глубина отрицательной обратной связи возрастает и тем самым обеспечивает подавление в выходном сигнале ЗГ высших гармонических составляющих. Перестройка частоты осуществляется коммутацией элементов режекторного фильтра.

Переменное напряжение с выхода выходного усилителя (ВУ) одновременно с опорным напряжением от источника опорного напряжения (ИОН) поступает на усилитель-ограничитель (УО). На выходе УО возникают импульсы из отсеченных вершин синусоиды, которые преобразуются пиковым детектором (ПД) в постоянное напряжение с уровнем, пропорциональным амплитуде импульсов Полученное постоянное напряжение управляет сопротивлением канала полевого транзистора и, следовательно, глубиной положительной обратной связи ЗГД

Плавная регулировка выходного напряжения обеспечивается изменением уровня опорного напряжения, подаваемого на УО.

Выходной сигнал ЗГ поступает на основной вход ВУ. На второй вход через инвертор подается напряжение высших гармоник, выделенное АРФ из выходного сигнала ЗГ. Таким образом, на входе ВУ происходит частичная компенсация спектральных составляющих, что приводит к снижению коэффициента гармоник на входе ВУ.

С выхода усилителя напряжение подается на аттенюатор с общим ослаблением 60 дБ ступенями через 10 дБ и далее на гнездо «◘→ II». Выходное сопротивление генератора на гнезде «◘→ II» 600 Ом при всех значениях ослабления; номинальное сопротивление нагрузки также 600 Ом. При нагрузке, отличающейся от номинальной, и в случае ненагруженного выхода ступенчатая регулировка сохраняется.

На выходное гнездо «◘→I» сигнал подается непосредственно с ВУ. При этом обеспечивается низкоомный выход генератора (менее 5 Ом) и максимальное значение выходной мощности. Номинальное значение сопротивления нагрузки для этого выхода 600 Ом; при других значениях сопротивления величина тока в нагрузке не должна превышать 16 мА. Низкоомный выход на гнезде «◘→I» обеспечивается в положении переключателя «◄dB» — «I». Во всех остальных положениях переключателя «◄dB» гнездо «◘→ I» подключается к ВУ через резистор 1,2 кОм и может быть использовано для присоединения частотомера, осциллографа, в качестве источника сигнала синхронизации и т. д.

Наибольшее значение уровня выходного напряжения при нагрузке 600 Ом — не менее 10 В на гнезде «◘→I» и не менее 5В на гнезде ««◘→П».

Плавная регулировка выходного напряжения обеспечивается для двух выводов генератора независимо от значения установленного ослабления.

В комплект поставки прибора входит фильтр режекторныи, используемый при определении коэффициента гармоник выходного сигнала генератора при его поверке. Фильтр обеспечивает подавление первой гармоники исследуемого сигнала, что позволяет расширить динамический диапазон анализатора спектра.

Генератор является источником синусоидального сигнала.

При необходимости работы от низкоомного источника следует использовать «◘→I» генератора. При этом переключатель «◄|dB» должен быть установлен в положение «I». Номинальная нагрузка для этого выхода 600Ом. ри помощи ручки устанавливается требуемое выходное напряжение генератора, которое плавно регулируется в пределах от 2,5 до 10 В.

Если нагрузка, подключенная к гнезду «◘→II», отличается от 600 Ом, напряжение может быть определено из выражения:

где U_ВЫХ напряжение на ненагруженном выходе, В;

Rh - сопротивление нагрузки, Ом.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Применяемые схемы.

3. Временные диаграммы с данными цифрового частотомера.

4. Вывод

Контрольные вопросы

1. Какова сущность цифрового метода измерения?

2. Принцип работы синтезатора частот

3. Какие методы для измерения частот наиболее приемлемы?

4. Что представляет собой метод дробного преобразования частот?

5. По каким признакам классифицируются измерительные генераторы?

6. Каковы особенности построения генератора сверхвысоких частот?

7. Каковы основные достоинства измерительных генераторов?