ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7
ГЕНЕРАТОРЫЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Методические указания
для студентов технико-экономического факультета
Владимир – 2010
Юрий Борисович Орлов
Лабораторная работа: Генераторы электрических колебаний / Составитель Ю.Б.Орлов. Владимир: ВГГУ, 2010. – 18 с.
Методические указания содержат разделы: цель работы, оборудование, теоретическая часть, устройство лабораторной установки, последовательность выполнения лабораторной работы, форма отчета, литература, контрольные вопросы. Методические указания предназначены для студентов специальности «Технология и предпринимательство» при изучении дисциплины «Электрорадиоизмерения».
Рецензент
канд.техн.наук, доцент ВлГУ К.В.Татмышевский
ГЕНЕРАТОРЫЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Цель работы: Ознакомиться с параметрами измерительных сигналов, ап-
Паратурной реализацией (генераторами), освоить практические
Навыки определения основных параметров сложных сигналов.
Оборудование: 1. Генератор стандартных сигналов Г4-18.
2. Осциллоскоп СQ5010B.
Теоретическая часть.
Электрические генераторы предназначены для выработки электрических сигналов.
Сигналом называется материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным.
Измерительный сигнал — это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине. Основные понятия, термины и определения в области измерительных сигналов устанавливает ГОСТ 16465-70 “Сигналы радиотехнические. Термины и определения”. Измерительные сигналы чрезвычайно разнообразны.
По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.
Аналоговый сигнал — это сигнал, описываемый непрерывной или кусочно-непрерывной функцией 
, причем как сама эта функция, так и ее аргумент могут принимать любые значения на заданных интервалах 
и 
(рис. 1,а).
Рис. 1. Аналоговый (а), дискретный (по времени) (б) и цифровой (в)
измерительные сигналы
Дискретный сигнал — это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени nТ, где Т = const - интервал (период) дискретизации, n = 0; 1; 2;...— целое, любые значения Y 
(nТ) 
(Y 
; Y 
) называемые выборками, или отсчетами. Такие сигналы (рис. 1,б) описываются решетчатыми функциями. Во втором случае значения сигнала Y (t) существуют в любой момент времени t (t ; t ), однако они могут принимать ограниченный ряд значений hi = nq, кратных кванту q.
Цифровые сигналы — квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы Y 
(nТ), которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени nТ лишь конечный ряд дискретных значений -уровней квантования h1,h2, …, hn (рис. 1,в)
По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени.
Переменные сигналы могут быть непрерывными во времени и импульсными. Непрерывным называется сигнал, параметры которого изменяются непрерывно. Импульсный сигнал это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого с временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую этот сигнал предназначен.
По степени наличия априорной информации переменные измерительные сигналы делятся на детерминированные, квазидетерминированные и случайные. Детерминированный сигнал — это сигнал, закон изменения которого известен, а модель не содержит неизвестных параметров. Мгновенные значения детерминированного сигнала известны в любой момент времени. Детерминированными (с известной степенью точности) являются сигналы на выходе мер. Например, выходной сигнал генератора низкочастотного синусоидального сигнала характеризуется значениями амплитуды и частоты, которые установлены на его органах управления. Погрешности установки этих параметров определяются метрологическими характеристиками генератора.
В метрологии измерительные сигналы описываются математическими моделями вида Y=f(Х, А, В, С,...), где Y — основной информативный параметр сигнала; Х — независимый аргумент сигнала; А,В,С — параметры сигнала. Вид модели выбирается в зависимости от конкретных условий решаемой задачи. Широко используется их спектральное (частотное) представление. В процессе передачи и обработки сигналов оно играет особую роль, поскольку определяет параметры используемой аппаратуры. Частотное представление основывается на преобразовании Фурье сигнала Y(t):
,
где А 
— постоянная составляющая;
А 
, 
— амплитуда и фаза n-й гармоники.
Множество значений А 
и 
образуют соответственно амплитудный и фазовый спектры, которые характеризуют свойства сигнала Y(t) в частотной области. Такой спектр называют линейчатым, или дискретным.
Характерный вид амплитудного и фазового спектров для некоего периодического сигнала приведен на рис. 2.
Рис.2. Амплитудный (а) и фазовый (б) дискретные спектры.
Спектральное представление сигнала позволяет оценить его частотный диапазон, т.е. граничные частоты, между которыми заключены все или основные, имеющие наибольшие амплитуды гармонические составляющие сигнала. Частотный диапазон является важной характеристикой сигнала, определяющий необходимую полосу пропускания средства измерения для передачи сигналов с требуемой точностью.
Модулированным называется сигнал, являющийся результатом взаимодействия двух или более сигналов, т.е. модуляции. Модуляция это воздействие измерительного сигнала Х(t) на какой-либо параметр стационарного сигнала Y(t), обладающего такими физической природой и характером изменения во времени, при которых удобны его дальнейшие преобразования и передача. В качестве стационарного сигнала, именуемого несущим, обычно выбирают синусоидальное (гармоническое) колебание
(1)
или последовательность импульсов.
Физический процесс, обратный модуляции, называется демодуляцией, или детектированием, и заключается в получении из модулированного сигнала другого сигнала, пропорционального модулирующему. Задача демодуляции — по возможности полное восстановление информации, содержащейся в модулирующем сигнале Х(t).
Вид модуляции и способ детектирования зависят от требований, предъявляемых к точности передачи информации. Наиболее простым модулированным гармоническим сигналом является амплитудно-модулированный сигнал, в котором измерительная информация содержится в амплитуде несущего синусоидального сигнала (рис. 3).
Рис. 3. Амплитудно-модулировный (1) и модулирующий (2) сигналы
Амплитудно-модулированные сигналы описываются формулой
(2)
где m – глубина амплитудной модуляции (всегда меньше единицы).
При частотной модуляции (рис. 4) измерительная информация содержится в частоте модулированного сигнала, т.е.
где 
— наибольшее изменение частоты модулированного сигнала, т.е. девиация частоты, пропорциональная амплитуде модулирующего сигнала.
При фазовой модуляции (рис. 5) модулирующий сигнал Х(t) воздействует на фазу несущего колебания:
где 
-— коэффициент фазовой модуляции.
Рис. 4. Частотно-модулированный (1) и модулирующий (2) сигналы
Для того чтобы при детектировании можно было восстановить модулирующий сигнал, необходимо иметь сигнал вида (1), называемый опорным. Относительно него наблюдают, как меняется фаза модулированного сигнала. Модулирующий, модулированный и опорный сигналы показаны на рис. 5.
Рис. 5. Модулирующий (1), фазомодулированный (2) и опорный (3)
сигналы
Если модулируемым сигналом является периодическая последовательность прямоугольных импульсов, то возможны три вида модуляции (рис. 6):
• амплитудно-импульсная (АИМ);
• частотно-импульсная (ЧИМ);
• широтно-импульсная (ШИМ).
Рис. 6. Несущая последовательность прямоугольных импульсов (а), модулирующий (б), амплитудно-модулированный (в), частотно-модулированный (г) и широтно-модулированный (д) сигналы
При этом параметром, несущим измерительную информацию, соответственно являются амплитуда, частота и длительность импульсов.
Измерительные генераторы (автогенераторы) — источники сигналов различных форм и частот, предназначенные для работы с радиоэлектронными схемами.
В зависимости от формы выходных сигналов различают генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. В спектре сигнала генератора гармонических колебаний имеется одна или несколько гармоник.
По частотному диапазону генераторы делятся на: инфра-низкочастотные (0,01... 20 Гц), низкочастотные, или генераторы звукового диапазона (20...300000 Гц), генераторы высоких частот (0,3... 300 МГц), сверхвысокочастотные (СВЧ, свыше 300 МГц). Особую группу представляют генераторы случайных колебаний (сигналов) — шумовые генераторы. Следует отметить и генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН), которые относятся к релаксационным генераторам. Такие генераторы используют как измерительные, так и в качестве генераторов разверток.
Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического выполнения генератор любых перечисленных колебаний (кроме параметрических схем генерации) состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи и источника питания постоянного тока. Форма и частота выходных колебаний определяются только параметрами самого генератора.
Генератор гармонических колебаний должен содержать в своем составе узкополосную колебательную систему. Принцип действия релаксационных генераторов основан на зарядно-разрядных или накопительно-поглощающих явлениях, протекающих в широкополосных энергоемких цепях положительной обратной связи.
Вначале, после включения питания генератора, усиление возникшего в колебательной системе сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента, В результате амплитуда выходных колебаний генератора достигает некоторого установившегося уровня и потом становится практически неизменной. Энергия, отбираемая от источника постоянного тока усилителем схемы за один период колебаний, оказывается равной энергии, расходуемой за то же время в нагрузке. В этом случае говорят о стационарном режиме работы генератора.
Генератор гармонических колебаний (как и колебаний любой формы и частоты) можно представить обобщенной структурной схемой (рис. 7), состоящей из нелинейного резонансного усилителя с комплексным коэффициентом усиления 
и цепи положительной ОС с комплексным коэффициентом передачи по напряжению 
. В представленной схеме отмечены комплексные амплитуды следующих напряжений: входного — 
; выходного - 
и обратной связи — 
.
Выражение для напряжения обратной связи на любой частоте генерации со запишем в виде
(3)
Тогда выходное напряжение определяется как, 
или с учетом (3),
(4)
Рис. 7. Обобщенная структурная схема генератора
Как следует из соотношения (4), автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии, что
(5)
В генераторах гармонических колебаний колебательными системами служат резонансные LC-контуры (в СВЧ-генераторах для этих целей используются резонаторные системы) и частотно-зависимые (фазирующие) RC-цепи. Генераторы гармонических колебаний с LC-контурами называются LC-генераторами, а с фазирующими RC-цепями — RC-генераторами. LC-генераторы вырабатывают колебания достаточно высокой частоты (более 100 кГц), а RC-генераторы применяют для создания низкочастотных гармонических колебаний (от единиц герц до десятков килогерц).
Обобщенные структурные схемы измерительных генераторов гармонических сигналов типа ГС и ГСС представлены на рис. 8. В регенераторах, для которых выполняются условия балансов амплитуд и фаз, частота в основном определяется резонансом колебательного контура, как это показано, например, на рис, 9, а. Частота колебаний
. (6)
К LС-генераторам относятся и генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. Этот способ стабилизации основан на применении вмести LС-контуров кварцевого резонатора, что снижает нестабильность частоты до 10-7 (отклонение частоты на 
= 0,1 Гц от генерируемой f = 1 МГц).
Рис. 8. Обобщенные структурные схемы измерительных генераторов: а — генератора сигнала; б — генератора стандартных сигналов
Рис. 9. Структурные схемы:
а -LC - генератора; б - RC-генератора
Кварцевый резонатор (кварц) представляет собой помещенную в кварце-держатель тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца определенного размера, грани которой определенным образом ориентированы к осям кристалла.
Кварц обладает прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектам (пьезоэффектом). Прямой пьезоэффект возникает при механическом сжатии (растяжении) кварцевой пластинки и сопровождается появлением на ее противоположных гранях электрических зарядов.
В измерительных генераторах гармонических колебаний чаще применяются схемы с RC-цепями —обычно с мостом Вина (рис. 2.3, б.), который осуществляет сдвиг фазы сигнала на 1800.
Схема генератора строится на основе усилителя, у которого в широком диапазоне частот коэффициент передачи К — вещественная величина, а фазовый сдвиг 
обеспечивается за счет моста Вина и инверсии сигнала в каскадах усиления. Для выполнения условия (2.5) необходимо, чтобы коэффициент передачи цепи положительной обратной связи 
также был величиной вещественной.
Из схемы рис. 2.3,б видно, что коэффициент представляет собой
отношение
(7)
(8)
В практических схемах автогенераторов применяют усилитель большим коэффициентом усиления К, но для стабилизации частоты е охватывают дополнительной цепью отрицательной обратной связи.
Характеристики звуковых генераторов. Генераторы звукового диапазона частот (низкочастотные генераторы) имеют обычно значительный уровень мощности выходного сигнала — до 5... 10 Вт Однако такая мощность может выделяться только на согласованной грузке, поэтому на выходе генератора часто включается согласующий трансформатор, например, на нагрузки 60, 600, 6000 Ом.
Для повышения стабильности частоты таких схем измерительных генераторов часто применяют задающие генераторы на биениях. Упрощенная структурная схема такого генератора представлена на рис. 2.4.
Колебания низкой частоты образуются в генераторе путем смешивания двух близких по частоте высокочастотных колебаний f1 и f2 в преобразователе (на рис. 2.4 для упрощения отображен только смесителем). При этом частота f2 может меняться от f1, до f1 + F, где F — наибольшая
частота рабочего диапазона. На выходе смесителя получают комбинационные частоты, в том числе и так называемую промежуточную
Рис. 10. Упрощенная структурная схема генератора на биениях
частоту F пч= f2 –f1. Колебание промежуточной частоты F пч выделяется фильтром промежуточных (или нижних) частот.
В диапазоне радиочастот в измерительных системах используются как генераторы сигналов, так и генераторы стандартных сигналов. Генераторы сигналов имеют большую среднюю мощность выходного сигнала (до 3 Вт) и используются для питания измерительных передающих антенн и других мощных устройств. Генераторы стандартных сигналов — маломощные источники сигнала с низким уровнем выходного напряжения (до 1 В) — применяются при испытаниях и настройке узлов радиоаппаратуры.
В генераторах стандартных сигналов предусматривается возможность получения амплитудной модуляции за счет использования как внешнего, так и внутреннего источников напряжения. Внутренняя модуляция обычно имеет частоты 400 и 1000 Гц.
Порядок выполнения работы.
1. Познакомиться с устройством генератора стандартных сигналов Г4 – 18 и осциллоскопа CQ 5010 В. включить приборы.
2. Получить у преподавателя задание, в соответствие с которым установить выходные параметры сигнала генератора Г4 – 18.
3. Выполнить калибровку осциллоскопа CQ 5010 В в соответствии с инструкцией по эксплуатации (см. приложение).
4. Измерить основные параметры амплитудно - модулированного сигнала, пользуясь осциллоскопом CQ 5010 В:
· частоту и амплитуду несущего сигнала;
· частоту и амплитуду моделирующего сигнала;
· коэффициент модуляции.
Форма отчета.
Отчет должен содержать:
1. Эпюры напряжений, наблюдаемое на экране осциллоскопа CQ 5010 В.
2. Цифровые параметры амплитудно – моделирующего сигнала.
3. Оценку погрешностей измерения.
4. Ответы на контрольные вопросы (по указанию преподавателя).
Литература.
Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебн. / В. И. Нефедов и др. М.: Высш. шк., 2001. - 383 с.
Контрольные вопросы.
1. Чем измерительный сигнал отличается от сигнала? Приведите примеры измерительных сигналов, используемых в различных разделах науки и техники.
2. Перечислите признаки, по которым классифицируются измерительные сигналы.
3. Чем аналоговый, дискретный и цифровой сигналы отличаются друг от друга?
4. Что такое помехи, как они классифицируются? Приведите примеры помех.
5. Какие типы математических моделей измерительных сигналов используются в метрологии?
6. Сколько и каких параметров нужно знать для описания каждого из элементарных измерительных сигналов?
7. Что такое амплитудная, частотная и фазовая модуляции?
8. Что такое амплитудно-импульсная, частотно-импульсная и широт-
но-импульсная модуляции?
9. Дайте определение операции квантования. Где и каким образом она используется в метрологии? Что такое погрешность квантования?
10. Дайте определение дискретизации. Расскажите о том, как проводится дискретизация измерительных сигналов. Что утверждает теорема Котельникова?
11. Какие интегральные параметры используются для описания переменных сигналов?
12. Перечислите возможные проявления погрешностей.
13. Изменяется или нет частота фазомодулированного сигнала?
14. Поясните управление осциллоскопом CQ5010B.
Приложение.
Осциллоскоп CQ5010B
Инструкция по эксплуатации
Осциллоскоп предназначен для исследования форм электрических сигналов, измерения их параметров, выявления вольт-амперных характеристик и др.
Все элементы управления осциллоскопом выведены на переднюю и заднюю панели.
Для подготовки осциллоскопа к работе необходимо:
1. Подключить кабель питания прибора к сети.
2. Включить питание переключателем сети «POWER» (при этом должна высветиться сигнальная лампочка) и дать прогреться прибору в течении 1-2 минуты.
3. Установить необходимую яркость свечения линии развертки ручкой «INTENSITY».
4. Установить четкое изображение линии развертки ручкой «FOCUS».
5. Установить линию развертки в центр экрана ручкой «POSITION»
ПРИМЕЧАНИЕ. Нельзя допускать на экране ЭЛТ ярко светящейся
неподвижной точки. Продолжительное действие
интенсивного, резко сфокусированного, электронного
пучка в виде неподвижной точки вызывает выгорание
экрана, потому желательно использовать возможно
меньшую яркость пятна, допустимую условиями
работы.
6. Провести калибровку прибора. Подключить настроечный щуп к входу Y «INPUT» и к «PROBE ADJUST».
Для калибровки амплитуды:
Установить переключатель «VOLTS/DIV» в положение 10 mV, вращать ручкой «POSI» и «VOLT VAR» до получения следующего изображения рис. 1.
Рис. 1.
После установки калибровки ручку «VOLT VAR» при измерении не трогать.
Для калибровки частоты:
Установить ручку «TIME/DIV» в положение.2 mS. При помощи ручек «POSITION» и «TIME VAR» добиться изображения рис. 1.
После установки калибровки ручки «VOLT VAR» и «TIME VAR» не трогать.
7. Исследуемый электрический сигнал подключить кабелем к входу Y INPUT.
8. Установить удобные для наблюдения размеры изображения регулировкой переключателей «VOLTS/DIV» и «TIME/DIV».
9. Добиться устойчивого (непрерывного) изображения синусоиды ручкой «LEVEL» (синхронизация).
10. Положение эпюры напряжений исследуемого сигнала по полю экрана симметрировать ручками ↕POSITION, ↔POSITION.