Цифровые генераторы низких частот по сравнению с аналоговыми характеризуются более эффективными метрологическими характеристиками: высокой точностью установки и стабильностью частоты, малым коэффициентом нелинейных искажений (строго синусоидальной формой), постоянством уровня выходного сигнала. Цифровые генераторы, получающие все более широкое распространение, удобнее аналоговых в эксплуатации: выше быстродействие, существенно проще установка требуемой частоты, более наглядна индикация. Кроме того, они имеют возможности автоматической перестройки частоты по заранее заданной программе и применения в сочетании с цифровыми средствами обработки информации.
Действие цифровых генераторов основано на форматировании числового кода с последующим преобразованием его в аналоговый гармонический сигнал, который аппроксимируется функцией, моделируемой с помощью ЦАП.
Самый простой вид аппроксимации — ступенчатая. Она заключается в представлении (замене) гармонического колебания напряжением ступенчатой формы, весьма мало отличающейся от синусоидальной кривой (рис. 9.5, а).
Поясним суть ступенчатой аппроксимации сигналов. Аппроксимируемое гармоническое напряжение u(t) = Uv sin со7 дискретизируется во времени (равномерная дискретизация с шагом At) и в интервале, разделяющем два соседних момента времени ti и ti+v заменяют синусоидальное колебание напряжением постоянного тока — ступенькой, высота которой равна значению аппроксимируемого напряжения в момент u(tt) = Uv sin со^.В результате вместо кривой синусоидальной формы получается ступенчатая линия, изображенная на рис. 9.5, а.
Рис. 9.5. Цифровой генератор низких частот:
а — ступенчатая аппроксимация; б — упрощенная структурная схема
При периоде Т гармонического колебания число ступенек р, приходящихся на один период, определяется шагом дискретизации р = Т/ At. Если из технических соображений число ступенек задано, то изменение шага дискретизации приводит к изменению периода формируемого напряжения, поскольку Т = pAt.
Учитывая, что t. = iAt> уравнение ступенчатой кривой можно представить в виде u(iAt) = Umsin(mAt) или с учетом значения р и соотношения со = Ъх/Т записать в виде 
Кроме того, ступенчатая кривая тем точнее приближается по форме к синусоиде (уменьшается погрешность аппроксимации), чем больше выбрано число ступеней р. Когда это число достаточно велико, сформированное ступенчатое напряжение можно рассматривать как низкочастотное синусоидальное напряжение, искаженное в небольшой степени высокочастотной аддитивной помехой.
Спектральный анализ напряжения, полученного путем ступенчатой аппроксимации, указывает на то, что его спектр содержит гармонику основной частоты. Разложение в ряд Фурье показывает, что ближайшей высшей гармоникой будет составляющая с номеромр— 1, следующей — гармоника номера р + 1, затем гармоники номеров 2р - 1 и 2р + 1 и т.д. Например, при р = 25 и частоте напряжения / основной гармоники ближайшими высшими гармониками будут 24-я, 26-я и 49-я, 51-я, т.е. напряжения на частотах 24/, 26/, 49/, 51/. Такие соотношения между основной и высшими гармониками позволяют просто осуществить высококачественную фильтрацию, резко ослабляющую высшие гармоники, т.е. получить синусоидальное напряжение, характеризуемое очень малым коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник).
Упрощенная структурная схема цифрового генератора, формирующего ступенчатую кривую, приведена на рис. 9.5, 6. Импульсный кварцевый генератор вырабатывает периодическую последовательность коротких импульсов с периодом следования Т. На выходе делителя частоты с регулируемым коэффициентом деления g получается последовательность импульсов с периодом следования At = gT, задающим шаг дискретизации. Импульсы поступают в счетчик емкостью р. Кодовая комбинация, определяемая числом импульсов г, накопленных в счетчике, передастся в схему ЦАП. Последний вырабатывает напряжение, соответствующее числу г, т.е. u(iAt) = Umsin(i2n/p). Таким образом формируются р ступенек аппроксимируемой кривой. После накопления р импульсов счетчик переполняется и сбрасывается в нуль. С приходом (р + 1)-го импульса начинается формирование нового периода ступенчатой кривой.
Частоту формируемого колебания при фиксированном числе ступенек р регулируют, изменяя шаг дискретизации At, что достигается изменением коэффициента деления g делителя частоты.
Измерительные генераторы сигналов низкой частоты
Как указывалось выше, ИГ сигналов низких частот охватывают диапазон 20 Гц...300 кГц. Указанные генераторы широко используют при испытаниях и настройке узлов радиоэлектронной аппаратуры, для модуляции сигналов высокочастотных ИГ, градуировки измерительных приборов и т. п.
Обобщенная структурная схема низкочастотного ИГ, выходным сигналом которого является смодулированный синусоидальный сигнал, показана на рис. 3.1.
Основным узлом низкочастотного ИГ является перестраиваемый задающий генератор, который вырабатывает сигнал синусоидальной формы низкой частоты. В качестве задающих используют хорошо известные ЛС-генераторы, генераторы, работающие по методу биений, а также Г,С-генераторы.
Рис. 3.1. Структурная схема низкочастотного ИГ
Усилитель, включенный после задающего генератора, обеспечивает усиление напряжения и мощности генерируемых синусоидальных колебаний. К тому же он развязывает задающий генератор от нагрузки.
Измеритель напряжения включается перед выходным устройством. Напряжение на выходе ИГ определяется по показанию вольтметра, умноженному на коэффициент, отсчитываемый по шкале аттенюатора выходного устройства.
Аттенюатор обеспечивает контролируемое ослабление сигната, поступающего от усилителя. Аттенюатор собирается обычно из Т- или П-образных звеньев на резисторах. Особенностью аттенюаторов является независимость входного и выходного сопротивлений от частоты. Градуировка аттенюаторов проводится обычно в условиях, соответствующих предельному значению шкалы измерительного прибора, и при включенной стандартной нагрузке.
В качестве согласующих устройств в ИГ низкой частоты обычно используют согласующие трансформаторы. Они обеспечивают согласование выходного сопротивления ИГ с сопротивлением нагрузки. Выходные зажимы согласующего трансформатора позволяют получать как симметричные, так и несимметричные выходные сигналы, а также два одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе выходных напряжения.
Некоторые ИГ низкой частоты не имеют согласующих трансформаторов. Они, как правило, рассчитаны для работы на нагрузку 600 Ом.
Наряду с рассмотренными низкочастотными аналоговыми ИГ все большее распространение получают цифровые ИГ низкой частоты.
Цифровые низкочастотные ИГ характеризуются высокими метрологическими характеристиками, удобством эксплуатации, наглядностью индикации, хорошей возможностью перестройки по заданной программе, хорошим взаимодействием с цифровыми средствами обработки информации.
Действие цифровых ИГ основано на принципе формирования числового кода с последующим преобразованием его в аналоговый гармонический сигнал. Последний аппроксимируется функцией, моделируемой с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Самый простой вид аппроксимации — ступенчатая, заключающаяся в представлении (замене) гармонического колебания напряжением ступенчатой формы, весьма мало отличающейся от синусоидальной кривой.
При ступенчатой аппроксимации аппроксимируемое гармоническое напряжение и{1) = t/„,sin tor дискретизируется по времени (равномерная дискретизация с шагом At), и в интервале, разделяющем два соседних момента времени Г, и заменяют синусоидальное колебание напряжением постоянного тока — ступенькой, высота которой равна значению аппроксимируемого напряжения в момент т. е. м(г,) = t/msin tor,. В результате такой замены вместо кривой синусоидальной формы получается ступенчатая линия, изображенная на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Ступенчатая аппроксимация
При имеющемся периоде Тгармонического колебания число ступенек/), приходящихся на один период, определяется шагом дискретизации: р = T/At. Если же число ступенек задано, то изменение шага дискретизации приводит к изменению периода формируемого напряжения, поскольку Т=pAt.
Учитывая, что Г, = iAth уравнение ступенчатой кривой можно представить в виде u(iAt) = Um sin (icoAt) или с учетом значения р и соотношения ш = 2л/Тзаписать как u(iAt) = Um sin (/2л/р).
Кроме того, ступенчатая кривая тем точнее приближается по форме к синусоиде (уменьшается погрешность аппроксимации), чем больше выбрано ступеней р. Когда это число достаточно велико, сформированное ступенчатое напряжение можно рассматривать как низкочастотное синусоидальное напряжение, искаженное в небольшой степени высокочастотной аддитивной помехой.
Разложение в ряд Фурье показывает, что ближайшей высшей гармоникой к гармонике основной частоты будет составляющая с номером р - 1, следующей — гармоника номера р + 1, затем гармоники номеров 2р — 1 и 2р + 1 и т. д. Такие соотношения между основной и высшими гармониками позволяют осуществить высококачественную фильтрацию, резко ослабляющую высшие гармоники, т.е. получить синусоидальное напряжение, характеризуемое очень малым коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник).
Упрощенная структурная схема цифрового генератора, формирующего ступенчатую кривую, приведена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Структурная схема цифрового ИГ
Импульсный кварцевый генератор вырабатывает периодическую последовательность коротких импульсов с периодом следования Т.
На выходе делителя частоты с регулируемым коэффициентом деления g получается последовательность импульсов с периодом следования At = gT, задающим шаг дискретизации. Импульсы поступают в счетчик емкостью р. Кодовая комбинация, определяемая числом / импульсов, накопленных в счетчике, передается в схему ЦАП. Последний вырабатывает напряжение, соответствующее числу /, т. е. u(iAt) = U„, sin (/2л//;). Таким образом формируются р ступенек аппроксимируемой кривой. После накопления р импульсов счетчик переполняется и сбрасывается в нуль. С приходом (р + 1)-го импульса начинается формирование нового периода ступенчатой кривой.
Частоту формируемого колебания при фиксированном числе сту- пенекр регулируют, изменяя шаг дискретизации Д/, что достигается изменением коэффициента деления g делителя частоты.
Измерительные генераторы сигналов высокой частоты
ИГ высокой частоты (ИГВЧ) предназначены для генерации немо- дулированных или модулированных синусоидальных измерительных сигналов в диапазоне частот 300 кГц...300 МГц. ИГВЧ в основном предназначены для исследования и настройки радиоприемных и радиопередающих устройств (включая телевизионную аппаратуру), поэтому их часто называют генераторами радиочастотного диапазона.
ИГВЧ выпускаются как в виде ГС, таки ГСС. ГС имеют большую среднюю выходную мощность (до 3 Вт), и их используют для питания измерительных передающих антенн и других мощных устройств. ГСС, как правило, это маломощные генераторы с низким калиброванным уровнем выходного сигнала, применяющиеся при испытаниях и настройке узлов радиоаппаратуры. ГСС характеризуются высокой стабильностью частоты и амплитуды выходного сигнала, малым коэффициентом нелинейных искажений. Эти параметры могут изменяться в широких пределах и фиксируются с нормированной погрешностью.
Рассмотрим, в качестве примера, обобщенную структурную схему ИГВЧ с амплитудной модуляцией, приведенную на рис. 3.4.
Задающий генератор определяет основные параметры и характеристики ИГВЧ, в том числе стабильность частоты и амплитуды выходного сигнала, а также спектральную «чистоту» сигнала. Задающий генератор, как правило, строят на базе широкополосного усилителя, охваченного цепью отрицательной обратной связи. Весь частотный диапазон задающего генератора разбит на ряд поддиапазонов.
Усилитель-модулятор с переменным коэффициентом усиления играет роль буферного каскада, повышающего стабильность частоты, и одновременно служит амплитудным модулятором. Модулирующий сигнал создается либо внутренним генератором, либо поступает извне в соответствии с положением ключа К.
Рис. 3.4. Обобщенная структурная схема ИГВЧ
В общем случае различные виды модуляции генерируемых сигналов реализуются, как правило, в различных узлах схемы. В рассматриваемом генераторе амплитудная модуляция осуществляется в усилителе-модуляторе. Частотная модуляция, как правило, осуществляется в задающем генераторе (к колебательному контуру подключается варикап), импульсная модуляция происходит в выходном усилителе.
Выходное устройство представляет собой систему калиброванных аттенюаторов, обеспечивающих широкое изменение уровня выходного напряжения. Поскольку измерение малых уровней напряжения затруднительно, то о значении выходного сигнала судят по показанию вольтметра, включенного на входе аттенюаторов, и известному коэффициенту ослабления, вносимому аттенюаторами.