Величина выходного напряжения задающего RC

Величина выходного напряжения задающего RC-генератора
определяется рабочим напряжением термистора. Рабочее
напряжение и рабочий ток – основные параметры термистора. Они
входят в условное обозначение этого прибора. Так термистор ТП
6/2 имеет номинальное рабочее напряжение 6 В и ток 2 мА
(среднеквадратические значения).
8
Рис.3. Частотная и фазовая характеристики цепи обратной связи
RC-генератора
Рис.4. К объяснению баланса амплитуд
9
Обратимся к рис.2. Коэффициент усиления собственно
усилителя
Кус= (U1 / U4)˃˃1 ,
обычно составляет несколько десятков – сотен единиц. Поэтому
можно считать, что
U2 ≈ U3 ≈ 1/3(U1) .
На термисторе, следовательно, падает напряжение
UТ = U1 – U3 ≈ 2/3(U1) ,
откуда выходное напряжение генератора
U1 ≈ 3/2(UТ) .
Перестройка частоты колебаний генератора осуществляется
путем одновременного изменения сопротивлений резисторов R,
либо емкостей конденсаторов С.
Изменение частоты RC генераторов во времени, которое
оценивается относительной нестабильностью частоты Δf/f, (где Δf –
разность между истинным значением частоты f и отсчетом по
шкале генератора) происходит за счет изменения параметров цепи
положительной обратной связи под влиянием колебаний
температуры, влажности и других влияющих величин. При
использовании
специальных
стабильных
резисторов,
конденсаторов и усилительных элементов, а также стабильных
источников питания, нестабильность частоты RC генераторов не
превышает 0,1%.
В задающем генераторе с преобразованием частоты для
получения низкочастотного сигнала используется принцип
умножения двух высокочастотных колебаний. Устройство такого
генератора поясняется с помощью рис.5. Схема содержит два
высокочастотных генератора, один из которых работает на одной,
фиксированной частоте - f2, а другой – на переменной частоте - f1 .
Переменную частоту f1 можно плавно изменять от f1max = f2 до
f1min = f2 - Fmax , где Fmax – наивысшая частота звукового диапазона.
Частоты колебаний генераторов выбираются в 5-10 раз
больше максимальной низкой частоты Fmax .
Колебания генераторов через полосовые фильтры поступают
на аналоговый перемножитель сигналов. После перемножения двух
синусоидальных функций разных аргументов
u1=U1sinω1t
и
u2=U2sinω2t получаются составляющие, одна из которых зависит
от суммы, а другая – от разности аргументов, то есть
u3= U1 U2sinω1t sinω2t = 0,5U1 U2[cos(ω1 - ω2)t - cos(ω1 + ω2)t].
10
Рис.5. Схема задающего генератора с преобразованием частоты
Рис.6. Изменение частоты во времени у генератора скользящего
тона (а) и генератора воющего тона (б)
Рис.7. Управление частотой генератора с помощью варикапа: а –
схема; б – график изменения емкости
11
Полезной является разностная составляющая с частотой
F=f1 – f2 .
Чтобы ее выделить, сигнал с выхода перемножителя подают на
вход фильтра низких частот с полосой пропускания от нуля до Fmax.
Главное преимущество генераторов с преобразованием
частоты состоит в возможности перекрыть звуковой диапазон
частот в пределах одного поддиапазона. Поэтому такие генераторы
пригодны для установок автоматического измерения частотных
характеристик.
Для уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала,
которые возникают при наличии гармоник в колебаниях
гетеродинов, взаимодействующих в преобразователе частоты,
например, 2ω1 - 2ω2 = 2(ω1 - ω2) = 2(2πF), в промежуточные цепи
между гетеродинами и перемножителем сигналов включаются
буферные усилители с полосовыми фильтрами. Задача полосовых
фильтров – уменьшение гармоник гетеродинов. Буферные
усилители предотвращают паразитную гальваническую связь
между генераторами через входную цепь преобразователя, которая
может приводить к нежелательной синхронизации одного
генератора другим.
К специальным видам тональных генераторов для звуковых
измерений относятся генератор скользящего тона и генератор
воющего тона. В первом из них частота изменяется со временем
медленно и в широких пределах (от самой нижней до самой
верхней частоты рабочего диапазона генератора). Полный цикл
изменения частоты составляет от нескольких секунд до нескольких
минут, в зависимости от выбранного времени записи амплитудночастотной характеристики объекта измерений (рис.6а).
Частота генератора воющего тона периодически изменяется в
небольших пределах. Период изменения частоты в воющем тоне
составляет от десятков миллисекунд до секунды, а величина
отклонения частоты от среднего значения (девиация частоты)
регулируется от нуля до десятков и даже сотен герц (рис.6б).
Генераторы скользящего тона чаще всего делают с
механическим управлением: ротор переменного конденсатора
(см.рис.5) вращают с помощью того же двигателя, который
транспортирует бумагу в самописце.
Генераторы воющего тона выполняют с электрическим
управлением частотой генерируемого сигнала.
12
В генераторе с преобразованием частоты для этого
используют варикапы: полупроводниковые диоды, включенные в
обратном направлении. При этом используется зависимость
емкости перехода от величины приложенного к нему напряжения.
Этот случай поясняется схемой и графиками на рис.7.
Описание лабораторной установки
Рабочее место оборудовано средствами измерений:
- электронный осциллограф;
- электронно-счетный частотомер;
- измеритель нелинейных искажений;
- электронный вольтметр;
- магазин сопротивлений.
Объектами измерений в этой работе являются два
промышленных генератора (один – с преобразованием частоты,
второй - резистивно-емкостной).
Методика выполнения работы
и обработка результатов
1. Подготовка к работе
При подготовке к выполнению этой работы необходимо
изучить технические описания промышленных генераторов,
предлагаемых для испытаний. Обратить внимание на назначение
органов управления, их связь с элементами электрических схем
генераторов, расположение их на лицевых панелях. Разобраться в
функциональных схемах генераторов и уяснить взаимодействие
узлов. Разобраться в особенностях принципиальных схем
задающих генераторов, усилителей и выходных цепей.
На рабочем месте поупражняться в подготовке генераторов к
работе: установке заданной частоты и заданного выходного
напряжения. Для самопроверки использовать осциллограф,
частотомер и электронный вольтметр.
По указанию преподавателя установить требуемую частоту и
необходимое выходное напряжение сигнала без контроля
параметров сигнала по внешним приборам. Ответить на вопросы по
устройству и правилам эксплуатации генераторов.
13
2. Испытания промышленного RC – генератора
Программа испытаний:
- измерение погрешности установки частоты;
- измерение погрешности встроенного вольтметра;
- измерение коэффициента гармоник;
- измерение выходного сопротивления.
Выполнение программы испытаний.
Погрешность установки частоты измеряется путем сравнения
ее значения по шкале генератора с показаниями электронносчетного частотомера на всех числовых отметках шкалы.
Результаты измерений сводятся в таблицу и сравниваются с
погрешностью, установленной заводом изготовителем.
Погрешность встроенного вольтметра определяют, сравнивая
его показания с показаниями внешнего вольтметра класса не ниже
1,0.
Коэффициент гармоник в данной работе следует измерять на
минимальной, средней и максимальной частотах каждого
поддиапазона
при
максимальном
выходном
напряжении
генератора. Наблюдая осциллограмму напряжения на выходе
измерителя нелинейных искажений, сделать заключение о
характере нелинейных искажений выходного сигнала генератора.
Выходное сопротивление измерить путем сравнения
напряжения холостого хода генератора с напряжением на
известном
нагрузочном
сопротивлении
(из
магазина
сопротивлений). Это измерение – косвенное. Студентам
предлагается самостоятельно вывести формулу для вычисления
Rвых по известным Uхх , Uн и Rн , а также формулу для погрешности
косвенного измерения Rвых . Студентам необходимо выбрать
оптимальный режим измерения Rвых и выполнить расчеты
измеряемой величины и погрешности.
3. Испытания промышленного генератора
с преобразованием частоты
Программа испытаний:
14
- измерение нестабильности частоты;
- градуировка шкалы расстройки частоты.
Выполнение программы испытаний.
Измерение нестабильности частоты выполняется на частотах
20 Гц и 1000 Гц. Для этого, не трогая органов управления
генератора, снимают показания частотомера через каждые 2
минуты в течение 20 минут. При обработке результатов измерений
установить:
1) среднюю за время наблюдений частоту;
2) среднеквадратическое отклонение частоты от среднего
значения в герцах и в процентах;
3) сравнить показатели нестабильности для колебаний с
частотами 20 и 1000 Гц и объяснить полученные
результаты.
Градуировку шкалы расстройки выполнить для исходных частот
(исходных – потому, что шкала расстройки на нуле) 200 Гц и 2000
Гц. Измеряемая величина – изменение частоты сигнала в герцах
относительно исходной величины при установки шкалы расстройки
на числовые отметки (со знаками «+» и «-»).
Содержание отчета
Отчет должен содержать схемы всех выполненных измерений,
зарисовки
осциллограмм,
таблицы
результатов,
расчеты
погрешностей, выводы по каждом виду проведенных испытаний.
Контрольные вопросы
1. Объясните устройство задающего RC-генератора, свойства
цепи частотно-зависимой обратной связи, назначение термистора,
связь его параметров с выходным напряжением.
2. Объясните
устройство
задающего
генератора
с
преобразованием частоты: как выбираются частоты гетеродинов,
зачем между гетеродинами и переможителем сигналов включают
буферные усилители и полосовые фильтры?
3. Какие Вам известны способы управления частотой
выходного сигнала генератора, приведите примеры?
4. Как получают и где применяют сигналы скользящего и
воющего тона?
15
5. В чем преимущества генераторов с преобразованием
частоты перед RC-генераторами, при каких измерениях они
предпочтительны?
6. Каковы достоинства RC-генераторов, когда их применение
дает лучшие результаты, чем применение генераторов с
преобразованием частоты?
7. Каковы причины нестабильности частоты в изученных
Вами генераторах?
8. Каковы причины нестабильности амплитуды в изученных
Вами генераторах
Литература
1. Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. – М.: Энергия,
1969.
2. Технические описания промышленных генераторов.