Измерительные генераторы

Сверхвысокочастотные генераторы шумовых сигналов работают на газоразрядных трубках. Для частот от 500 МГц до 4 ГГц это генераторы коаксиальной конструкции и с коаксиальными выходными разъемами, для частот выше 4 ГГц -- волноводной конструкции. Генератор коаксиальной конструкции (рис., а) представляет собой цилиндрическую металлическую камеру, в центре которой помещается газоразрядная трубка. Вокруг трубки располагается металлическая спираль, охватывающая столб плазмы и являющаяся элементом связи горящей трубки с коаксиальной линией.

Рис.. Генератор шумовых сигналов на газоразрядных трубках

1- согласующий резистор; 2 -- спираль связи; 3 -- газоразрядная трубка;

4 -- согласующая нагрузка; 5 -- предельный волновод

Один конец спирали соединен с поглощающим (согласующим) резистором, второй -- с выходным разъемом. Выходное сопротивление генератора определяется волновым сопротивлением коаксиальной линии, т. е. диаметром и шагом спирали, и составляет 50 или 75 Ом. Перекрытие по частоте не превышает 4; спектральная плотность мощности шума не регулируется и указывается в паспорте генератора в пределах от 20 до 80 kT0. Имеются генераторы со вторым выходом через направленный ответвитель; здесь спектральная плотность составляет 1--6 kT0.

Генератор шума волноводной конструкции представляет собой отрезок прямоугольного волновода (рис. , б) с газоразрядной трубкой, пересекающей его широкую стенку под углом ф = (8--10)°. Такое расположение обеспечивает согласование горящей трубки с волноводом. Один конец отрезка волновода оканчивается стандартным фланцем для подключения внешней согласованной нагрузки, а в другом помещена клиновидная внутренняя согласующая нагрузка. Спектральная плотность мощности шума составляет 60 kT0. Имеются генераторы со вторым выходом через направленный ответвитель; в этом случае спектральная плотность мощности равна 5 kT0. Перекрытие по частоте не более 1,5. Анодный и катодный концы трубки выступают за пределы волновода и могут излучать шумовую мощность и создавать помехи. Для уменьшения этих помех концы трубки экранируются предельными волноводами.

В качестве образцовых генераторов шума в диапазоне СВЧ применяют тепловые генераторы, работающие при высокой или низкой температуре. Источник шума представляет собой стержневой или клиновидный резистор, помещенный в коаксиальную или волноводную линию, нагреваемый до 460 °С (733 К). При такой температуре спектральная плотность мощности составляет 1*10-20 Вт/Гц. Для обеспечения постоянства температуры резистора применяется термостат с автоматическим управлением. В низкотемпературном генераторе резистор погружается в жидкий азот или гелий; спектральная плотность мощности азотного генератора 1*10-21 Вт/Гц, гелиевого -- 1*10-22 Вт/Гц.

Генераторы шумоподобных сигналов

В настоящее время в теоретической радиотехнике, радиолокации, системах передачи информации и, особенно, системах мобильной связи успешно используются сигналы с заданными корреляционными и спектральными свойствами. Эти сигналы имеют спектральные характеристики, близкие к белому (квазибелому) шуму в широкой полосе частот. Подобные сигналы принято называть шумоподобными (широкополосными) сигналами (ШПС), сигналами без несущей или сигналами с рассеянным спектром.

В связи с отмеченным, в контрольно-измерительных устройствах все более широкое распространение получают измерительные широкополосные (шумовые) генераторы, выполняемые на элементах цифровой техники. По сравнению с генераторами, в основе которых лежат физические приборы, в подобных генераторах используются программные пакеты, и поэтому они обладают рядом достоинств. К ним относятся возможность точного контроля частоты и точного определения статистических характеристик генерируемого сигнала, постоянство его средней мощности во времени и в широкой полосе частот, отсутствие дрейфа и т.д.

Если рассматривать последовательности из n = М двоичных импульсов прямоугольной формы, которые в соответствии с номером позиции М могут принимать значения ± 1 (иногда -- 1 и 0), то простым перебором можно найти такие последовательности, для которых

где Е -- энергия всей импульсной последовательности, E1 -- энергия одного импульса.

Последовательность класса шумоподобных сигналов повторяется через период Т = n?t = (2m- l)?t, где ?t = 1/FC -- интервал следования сдвигающих импульсов (рис.), или длительность одного элемента (Fc -- частота следования последовательности). Например, изображенная на рис. псевдослучайная двоичная последовательность, имеет период, содержащий 8 элементов.

Вследствие кусочно-постоянного характера двоичного псевдослучайного сигнала его автокорреляционная функция (АКФ) изменяется линейно в интервале дискретизации ?t. Если бы сигнал был действительно случайным, то он бы характеризовался дельта-функцией -- АКФ белого шума. У двоичной псевдослучайной последовательности АКФ имеет вид, изображенный на рис.. Она отличается наличием ненулевого смещения.

Наиболее распространенным примером технической реализации шумо-подобных сигналов (сигнальной конструкции) могут служить сформированные определенным образом псевдослучайные последовательности прямоугольных радиоимпульсов, в частности, при манипуляции несущего колебания двоичными кодами. При этом наиболее успешно развиваются цифровые методы генерации сигналов на основе дискретных ортогональных сигналов в виде линейных М-последовательностей, функций Уолша и др.

Линейные двоичные M-последовательности

Шумоподобный сигнал генерируется в виде двоичной последовательности импульсов, причем переключение с одного элемента на другой, которое может быть дискретным во времени и происходить через равные интервалы ?t, выполняются псевдослучайным образом. Поэтому длительность существования уровней 1 или -1 псевдослучайна. Для линейной двоичной псевдослучайной М-последовательности характерно следующее.

1.Отношение уровня главного максимума к максимальному значению боковых лепестков АКФ приближенно растет как , где n=М=2m-1 -- число импульсов в последовательности; m -- целое положительное число.

2.Она может быть сформирована регистром сдвига на m разрядов.

3.Автокорреляционная функция М-последовательности имеет форму, сходную с АКФ квазибелого шума с ограниченным спектром.

4. Спектр мощности линейчатый с огибающей, описываемой функцией Расстояние по оси частот между соседними спектральными линиями составляет . Первый нуль огибающей расположен в точке Fc = 1/?t = MAf, второй -- в точке 2FC = 2/?t и т.д., причем 92 % мощности сигнала заключено в полосе от 0 до Fc. Постоянная составляющая равна 1/М.

Среди элементов найдутся любые комбинации из +1 и -1, состоящие изт членов (кроме запрещенной комбинации, включающей только +1).

Из параметров генератора и характеристик спектральной плотности М-последовательности (свойство 4) несложно определить, что высота спектральных линий в полосе частот 0,05Fc практически постоянна: уменьшение мощности на частоте 0,05 Fc составляет всего 0,036 дБ. Изменение мощности на -0,1 дБ имеет место на частоте 0,085 Fc, а изменение ее на -3 дБ -- на частоте 0,45Fc. Так, если сдвигающий регистр содержит 20 разрядов, т. е. наибольшая длина последовательности М=1048575, то при частоте следования сдвигающих импульсов Fс=1МГц полоса "постоянной мощности" составляет 50 кГц, а расстояние между спектральными линиями равно около 1 Гц. Полоса, в которой мощность изменяется на 3 дБ, -- до 450 кГц.

Изменение частоты следования сдвигающих импульсов Fc при неизменной длине последовательности (М=const) пропорционально изменяет расстояние между спектральными линиями, но не меняет числа линий в лепестке или общей мощности сигнала. Спектральная плотность мощности обратно пропорциональна частоте Fc. Изменение длины последовательности М при Fc = const также сопровождается изменением расстояния между спектральными линиями, но обратно пропорциональным. Соответственно изменяется число линий в лепестке. Однако общая мощность сигнала и распределение ее по лепесткам сохраняются. Следовательно, высоты спектральных линий изменяются так, что спектральная плотность мощности остается постоянной.

Стандарты и синтезаторы частоты

Как уже отмечалось, для создания стабильного по частоте и фазе сигнала используют кварцевые генераторы, имеющие высокую стабильность частоты. Кварцевые стандарты частоты имеют более высокие показатели по стабильности и их нестабильность частоты порядка 10-8...10-9.

Еще лучшую стабильность частоты (нестабильность порядка 10-12) обеспечивают квантомеханические стандарты 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. Все перечисленные кварцевые генераторы и стандарты частоты обеспечивают формирование высокостабильных сигналов только 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 синтезаторы превосходят обычные измерительные генераторы с плавной перестройкой частоты. Они легко сопрягаются с автоматизированными информационно-измерительными системами.

Кварцевые синтезаторы частоты -- это многочастотные генераторы гармонических напряжений с дискретной перестройкой частоты. Упрощенная структурная схема аналогового синтезатора частоты дана на рис.. В нее входят кварцевый генератор частоты f0, устройство формирования опорных частот f1,...,fn, устройство переключения, подключающее на выход сигнал нужной частоты, цифровое отсчетное и выходное устройства.

В современных высококачественных широкодиапазонных измерительных 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 генерирование сигналов на любой из множества частот, следующих друг за другом с определенным фиксированным интервалом, называемым шагом дискретной сетки.

На рис. показана одна из структурных схем аналогового синтезатора частоты с цифровым управлением. Синтезатор содержит опорный кварцевый генератор (ОКГ), управляемый делитель частоты (УДЧ), управляемый генератор (УГ), фазовый детектор (ФД) с цепью фазовой автоматической подстройки частоты и программируемое цифровое устройство (ПЦУ).

На фазовый детектор подают два колебания: первое со стабильной частотой fоп -- от опорного кварцевого генератора; второе с частотой f/N?fоп че-рез управляемый делитель частоты с коэффициентом деления N -- от управляемого генератора. Напряжение с выхода фазового детектора через фильтр нижних частот (ФНЧ) воздействует на управляемый генератор и подстраивает его до обеспечения равенства частот f/N и foп. Изменяя с помощью ПЦУ коэффициент деления N, можно получить требуемую сетку частот с шагом, равным fоп. Поскольку выходная частота синтезатора связана с частотой опорного кварцевого генератора как f= Nfoп, то относительные нестабильности этих частот равны. Если в таком синтезаторе требуется стабилизировать очень низкую частоту, то между опорным кварцевым , генератором и фазовым детектором необходимо дополнительно ввести делитель частоты (ДЧ).

Представленный простейший вариант синтезатора частоты имеет серьезные недостатки. Первый из них связан с конечностью ширины полосы 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 обратной связи в делителе частоты можно изменять его коэффициент деления, который будет принимать любые целочисленные значения, допустимые разрядностью счетчика.

Цифровые синтезаторы измерительных сигналов. Прогресс в области микропроцессорной техники обусловил появление измерительных генераторов с новыми принципами формирования сигналов. Достоинством цифровых методов синтеза является малое время установления частоты колебаний при перестройке, что важно для функционирования быстродействующих автоматизированных систем, а также отсутствие разрыва фазы при смене частот.

В современных передатчиках часто требуется использовать дробные значения коэффициента деления частоты. Метод дробного преобразования частоты используется в новейших разработках цифровых синтезаторов, реализуемых по следующей базовой схеме.

В таком синтезаторе коэффициент деления программно-управляемого делителя частоты (ПУДЧ) изменяется во времени, образуя последовательность временных циклов определенной длительности. 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 используются цифровой фазовый детектор (ЦФД), ЦАП и микропроцессор (МП).

Подстройку выходной частоты производят в конце каждого цикла. Для этого используют управляемый генератор, напряжение подстройки частоты на который подается с ЦАП. Сигнал управления (ошибки, рассогласования) вырабатывается цифровым фазовым детектором и его уровень соответствует значению средней за время цикла разности фаз колебаний, получаемых от опорного кварцевого генератора и управляемого генератора. Затем сигнал управления с фазового детектора подается на микропроцессор, который через ЦАП по заданному коду требуемой частоты осуществляет программное управление схемой ПУДЧ.

Контрольные вопросы

Как различаются измерительные генераторы в зависимости от формы выходно го сигнала?

Как подразделяются генераторы по частотным характеристикам?

Каковы условия самовозбуждения генератора гармонических колебаний? Какими методами они реализуются?

Каковы методы создания генераторов инфранизких частот?

В чем особенности конструирования генераторов сверхвысоких частот?

Какова упрощенная функциональная схема цифрового измерительного гене ратора?

Какие физические явления могут быть положены в основу создания шумовых генераторов?

Какие требования предъявляются к форме сигнала импульсного генератора?

Для каких целей используются стандарты частоты?

На каких принципах строятся схемы синтезаторов частоты?

Для чего используются генераторы шумоподобных сигналов?

Приложение

ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Генераторы СВЧ вырабатывают частоты от 1 до 140 ГГц. В них предусматривается один частотный диапазон с перекрытием 1,5--2, поэтому они выпускаются сериями из однотипных приборов на определенный участок диапазона частот. Генераторы СВЧ предназначены для измерения чувствительности приемных устройств, измерения диаграмм направленности антенн, исследования трактов передачи СВЧ (настройки фильтров, регулировки аттенюаторов и т. п.)

Структурная схема генератора СВЧ содержит сравнительно небольшое число отдельных узлов: задающий генератор ЗГ, модуляционный блок МБ, аттенюатор Aт, ферритовый вентиль ФВ, частотомер Hz и измеритель мощности Вт. Выходная мощность генератора подается к нагрузке с коаксиального разъема или волновода. Задающий генератор выполняется на отражательном клистроне или полупроводниковых приборах. Генератор на отражательном клистроне, внутри которого помещен объемный резонатор настраивается сначала грубо, путем изменения его объема упругой деформацией ("механическая" настройка), а затем точно, изменением напряжения на отражателе клистрона, ("электрическая" настройка). Полоса электронной перестройки частоты составляет от 2 до 5 МГц. Генерируемая мощность выводится из объемного резонатора клистрона петлей связи и через отрезок тонкой коаксиальной линии, оканчивающейся штырем, вводится в волновод СВЧ-тракта генератора. Связь резонатора клистрона с волноводом зависит от глубины погружения штыря, которая должна быть значительно меньше четверти длины волны генерируемого сигнала.

Уровень мощности устанавливается на входе аттенюатора равным 1 мВт и контролируется с помощью термисторяого измерителя мощности Вт (см. в следующих лекциях). Выходная мощность генератора регулируется аттенюатором СВЧ. Выходное сопротивление генератора согласуется с нагрузкой с помощью ферритового вентиля ФВ. Сигналы СВЧ модулируются по амплитуде синусоидальными или импульсными сигналами и меандром и по частоте -- синусоидальными и пилообразными сигналами. Источником внутренней модуляции является модуляционный блок МБ, на вход которого подаются сигналы и внешней модуляции. Особенно проста модуляция в отражательных клистронах. Для осуществления амплитудно-импульсной модуляции модулирующее напряжение Uм включается последовательно с напряжением Eотр, питающим отражатель. Модуляция осуществляется возбуждением колебаний СВЧ на время длительности импульса. Для получения частотной модуляции источник модулирующего напряжения пилообразной или синусоидальной формы также включается последовательно в цепь отражателя. Мощность генерируемых СВЧ-колебаний устанавливается максимальной, а размах модулирующего напряжения должен обеспечить минимальную амплитудную паразитную модуляцию.

Выпускаемые промышленностью генераторы СВЧ развивают выходную мощность не более 200 мВт с возможностью ослабления до 10-15 Вт. Погрешность установки частоты 0,5%. Нестабильность частоты 10-4--10-5 за 15 мин. Многие генераторы снабжаются указателями частоты настройки в виде механических цифровых счетчиков, связанных соответствующими приводами с органами настройки.

Аттенюаторы СВЧ. По принципу действия аттенюаторы СВЧ, применяемые не только в генераторах СВЧ, но и как отдельные средства измерения, разделяются на следующие виды:

предельные, в которых уменьшение мощности происходит вследствие ее ослабления при передаче по запредельному волноводу (работающему на частотах ниже критической частоты основной волны), т. е. без тепловых потерь;

поглощающие, в которых проходящая по волноводу мощность уменьшается вследствие превращения некоторой ее части в тепло;

поляризационные, в которых уменьшение мощности, переносимой в круглом волноводе, достигается поглощением части мощности, связанной с составляющей вектора напряженности электрического поля, параллельной поглощающей пластине, размещенной вдоль оси волновода;

полупроводниковые, электрически управляемые, в которых уменьшение проходящей мощности происходит в результате поглощения ее части в активном сопротивлении полупроводниковых СВЧ-диодов (обычно p--i--n-диодов), размещенных вдоль волновода.

Предельный аттенюатор состоит (рис. П2, а) из отрезка круглого волновода 1, критическая длина волны лкр которого значительно меньше рабочей длины волны л. Внутри волновода помещены элементы связи 2 -- петли при индуктивной связи и диски при емкостной связи; этими элементами заканчиваются коаксиальные линии на входе и выходе волновода. Элементы связи 2 для коаксиальных линий являются почти реактивной нагрузкой, поэтому для их согласования в центральный провод последовательно включаются резисторы 3, сопротивления которых равны волновому сопротивлению линии. Электромагнитная волна в предельном волноводе ослабляется. Коэффициент ослабления можно считать равным ,т. е. не зависящим от частоты. Его значение определяется только поперечным сечением, формой волновода и типом волны, распространяющейся по нему. В предельных волноводах обычно используются отрезки волновода круглого сечения. Из теоретической электродинамики известно, что у круглых волноводов критическая длина волны пропорциональна радиусу r волновода. Следовательно, ослабление A=, где l --расстояние между элементами связи, для каждого типа волны (с учетом формулы для б) можно легко вычислить по известным выражениям. На участке l0 кроме основной волны возбуждаются волны высших типов, и потому ослабление вдоль него нелинейно. Однако волны высших типов быстро затухают, и на участке l ослабление основной волны имеет линейный характер. Значение начального ослабления равно 10--15 дБ.

Ослабление предельного аттенюатора рассчитывается по его геометрическим размерам, поэтому такие аттенюаторы применяют как абсолютные меры ослабления. Пределы регулирования составляют 10--80 дБ.

измерительный генератор сигнал радиоэлектронный

Поглощающие аттенюаторы делятся на коаксиальные и волноводные. В первых ослабление мощности вызывается поглощением ее в высокоомном внутреннем проводнике коаксиальной линии или диэлектрике с большими потерями, заполняющем коаксиальную линию; тот же эффект получается при погружении поглощающей пластины в волновод или при движении пластины от боковой стенки волновода к его центру. Стержень механизма перемещения выполняют из диэлектрика с малыми потерями. Ослабление поглощающих аттенюаторов и их градуировка определяются экспериментально. Пределы регулирования составляют 0--50 дБ.

Поляризационные аттенюаторы являются наиболее совершенными и точными. Аттенюатор (рис.П3, а) состоит из трех-последовательно соединенных секций круглого волновода, среднюю из которых 2 можно поворачивать на угол ц относительно общей продольной оси. Входная и выходная секции соединены переходами 1 с прямоугольным волноводом. На вход аттенюатора поступает электромагнитная волна типа Н10, а в круглый волновод -- Н11. Внутри каждой секции перпендикулярно вектору электрической составляющей электромагнитной волны помещены три поглощающие пластины. Когда все три пластины находятся в одной плоскости, ослабление пренебрежимо мало (рис. П3, б). При повороте подвижной секции на угол ц электрическое поле разложится на две составляющие: параллельную пластине Еsinц и перпендикулярную ей Еcosц. Параллельная составляющая поглощается, а перпендикулярная с поляризацией ц проходит в третью секцию. Здесь также происходит разложение на составляющие Е cos ц sin ц, которая поглощается, и Е cos2 ц, которая проходит на выход аттенюатора. Таким образом, собственное ослабление аттенюатора зависит от угла поворота средней секции. В идеальном аттенюаторе оно лежит в пределах от 0 до оо при изменении ц от 0 до 90° и вычисляется по формуле А = 40 lg sеc ц. Выпускаемые промышленностью поляризационные аттенюаторы обеспечивают регулировку ослабления от 0,3 до 80 дБ с погрешностью установки 0,1 дБ.

Полупроводниковые аттенюаторы выполняются на р--i--n-диодах, которые на частотах ниже 1 МГц представляют собой выпрямители, а в диапазоне СВЧ -- линейные сопротивления, изменяющиеся в соответствии с протекающим через них током. Таким образом, осуществляется электрически управляемый аттенюатор, потребляющий малую управляющую мощность и обладающий высоким быстродействием. На рис. П4, а и б приведены устройство и эквивалентная схема аттенюатора с тремя диодами. Пределы ослабления составляют от 2 до 80 дБ в полосе частот более двух октав.

Размещено на Allbest.ru