Частота выходного сигнала генератора

Виды цифровых генераторов

Синусоидальный сигнал есть, по сути, решение уравнения Y= Sin(X), при линейно изменяющемся значении аргумента X. Для получения цифрового сигнала из микроконтроллера нам необходимо подать значения функции на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Это значит, что для получения синусоидального сигнала, нам необходимо знать значения функции Y при каждом значении аргумента X (по сути X определяет значение фазы сигнала). Можно вычислять все значения функции прямо в микроконтроллере, но для обеспечения высокой точности вычисляемых значений необходим высокопроизводительный процессор, или модуль для работы с плавающей точкой. Вычисление значений в микроконтроллере может занять продолжительное время, поэтому для обеспечения быстроты вычисления берут готовые значения функции и загружают их в память. Для обеспечения плавности выходного сигнала, для уменьшения погрешности связанной с нелинейностью характеристики цифроаналогового преобразователя, необходимо как можно большее количество значений синуса. Таким образом, в памяти будут готовые отсчеты синуса. Для того чтобы эти отсчеты превратились в синус, их нужно каким-то образом растянуть по времени, чтобы каждый отсчет подавался на ЦАП через определенный промежуток времени после предыдущего. Для этого необходим генератор опорной частоты. Такой генератор будет выдавать импульсы постоянной скважности. Эти импульсы, в простейшем случае, поступают на счетчик, а счетчик в свою очередь выдает на выходе последовательность возрастающих кодов. Код на выходе счетчика будет указывать на адрес очередного отсчета в памяти (ПЗУ). ПЗУ соответственно кодам выдает на своем выходе значения функции, содержащиеся в памяти по этим адресам, которые передаются в ЦАП и на выходе ЦАПа будет синус с идеальной частотой. Частота синуса будет соответствовать частоте тактового генератора. Для обеспечения перестройки по частоте нужно каким-либо образом регулировать частоту опорного генератора. В простейшем случае между счетчиком и генератором ставят делитель частоты. Такой делитель позволяет перестаивать частоту в определенных пределах. Предел перестройки зависит от разрядности сумматора и частоты опорного генератора. Перестройка в таком случае будет возможна только на определенные значения, так как деление возможно только на числа, кратные 2.

Простейшая схема такого генератора показана на рисунке 1. В его состав входит генератор опорной частоты (G). Делитель, в который загружается код частоты (коэффициент деления), счетчик (СТ), ПЗУ, ЦАП и фильтр. Фильтр в данном случае необходим для того, чтобы сглаживать цифровой сигнал на выходе. ЦАП – цифровое устройство, которое выдает только определенный уровень сигнала. Чем меньше частота дискретизации, тем более ярко выражена ступенчатая характеристика выходного сигнала. Для того чтобы убрать погрешность, вносимую частотой дискретизации, на выходе применяется фильтр сигналов. В простейшем случае, это простая RC-цепочка, но необходимо учитывать скоростные характеристики ЦАП, так как на высоких частотах может отфильтровываться полезный сигнал.

Здесь рассмотрена самая простая схема DDS. Многие элементы в ней можно заменить и доработать. Например, если заменить счетчик на более сложное устройство, т.н. аккумулятор фазы, то у нас появятся больше возможностей, таких как перестройка по частоте без фазового сдвига или, например, возможность использовать четверть периода значений синуса, вместо полного периода, но в рамках данной статьи такие усложнения рассматриваться не будут.

Сейчас DDS выполняются как отдельные микросхемы. В такую микросхему достаточно загрузить параметры нужного сигнала и подключить генератор опорной частоты, а на выходе мы получим цифровую синусоиду, которую достаточно лишь отфильтровать с заданными параметрами. Такие генераторы позволяют получать частоту до 1.4 ГГц. У них в свою очередь есть один недостаток. Генераторы прямого цифрового синтеза чаще всего используются именно как генераторы частоты, поэтому амплитуда выходного сигнала не стабильна.

Другим способом генерации сигнала синусоидальной формы с помощью контроллера, является метод ШИМ + пассивный RC фильтр. ШИМ – широтно-импульсная модуляция. Она позволяет, регулируя скважность импульсов, получать нужную постоянную амплитуду сигнала. Чем шире импульс, тем выше выходное напряжение на фильтре. Напряжение можно менять в пределах от нуля до напряжения питания. Таким образом, если задать определенную программу для регулирования скважности импульсов, то на выходе можно получить сигнал любой формы, в том числе синусоидальный. В самом простом случае схема показана на рисунке 2.

Такой генератор является дешевым, и самое главное наиболее легко реализуемым способом преобразования цифрового сигнала в аналоговый с помощью микроконтроллера. Он не требует специальных микросхем или каких-либо сложных схемотехнических решений. Единственное, что необходимо при создании такого генератора, это расчет выходного фильтра на заданную частоту среза, чтобы он не срезал полезный сигнал. Правда, достигнуть высоких метрологических характеристик на таком генераторе невозможно, так как трудно добиться низкого коэффициента гармонических искажений. Низкий уровень гармонических искажений можно достичь с помощью еще одного варианта генератора.

Третий вариант генератора основывается на схеме, которая называется «мост Вина». Суть этой схемы в том, что используется усилитель с двумя RC-цепочками в обратной связи. Одной последовательной и одно параллельной. Схема такого генератора представлена на рисунке 3.

Для данной схемы необходимо учесть то, что элементы в RC-цепочке должны быть строго одинаковыми. Иначе схема не будет стабильной. Для уменьшения этих эффектов применяют разные хитрости, например автоматическое управление усилением и другие хитрости. В простейшем случае автоматическое управление осуществляется каким-либо нелинейным элементом, например лампочкой. Но перестройка такого генератора по частоте затруднена. Нужно использовать переменные конденсаторы, что усложняет схему еще на порядок. Такой метод хорош, но в основном для генерации какой-либо определенной частоты, либо частоты с малым диапазоном регулировки.

Существуют разные варианты и модификации представленных выше схем. Кроме этих схем существуют аналоговые решения, которые не были здесь описаны из-за несоответствия тематике статьи. В заключении хочу сказать, что каждая схема должна выбираться и прорабатываться возможная ее реализация в зависимости от задачи, которую необходимо выполнить. Передо мной стоит задача создать прецизионный генератор синусоидального сигнала, который может одновременно выдавать высокостабильный синусоидальный сигнал и добавлять в сигнал гармоники более высокого порядка. Для выполнения этой задачи наилучшим выходом будет расчет значений функции синуса непосредственно в микроконтроллере с передачей значений на ЦАП. Такая реализация позволит мне учесть недостатки каждой схемы и проработать техническую реализацию, необходимую конкретно для моей задачи. Можно одновременно сделать стабильную амплитуду, убрать гармонические искажения, вносимые особенностью схемы и получить довольно стабильный генератор. И конечные погрешности будут зависеть только от того, какие элементы будут выбраны, и какая степень упрощения алгоритма взята. Таким образом, при неизменности основной структуры, можно получить гибкое решение определенного класса задач.

Если вас интересует какой-либо материал на схожую тему, или вообще что-то из сферы измерительных приборов и их проектирования, то я бы мог попробовать написать какой-либо материал, чтобы осветить ваш вопрос в более простом и понятном ключе

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Частота — выходной сигнал

Частота выходного сигнала определяется только временем охлаждения термистора, так как время его нагрева постоянно. [1]

Частота выходного сигнала изменяется от О до Af при относительно небольшой перестройке частоты генератора 2, что и позволяет обеспечить заданную неравномерность частотной характеристики. [3]

Частота выходного сигнала приблизительно равна частоте входного, а максимальная частота только в 10 раз превышает частоту входного сигнала. Для повышения точности можно использовать несколько каскадов, при этом выход одного каскада является входом для следующего. Количество таких каскадов ограничивается либо величиной результирующей разности частот, которая может стать довольно большой, либо уровнем шума, производимого умножителями частоты. Каждый каскад дает увеличение точности на порядок. [4]

Частота выходного сигнала синтезатора 46 — 58 ( рис. 1.61) получается путем преобразования частоты сигнала опорного кварцевого генератора методом прямого синтеза. Для преобразования используются смесители, делители и умножители частоты. [5]

Частота выходного сигнала синтезатора 46 — 58 ( рис. 1.61) получается путем преобразования частоты сигна-1 ла опорного кварцевого генератора методом прямого синтеза. Для преобразования используются смесители, делители и умножители, частоты. [6]

Частота выходных сигналов GI и GI равна / osc2 — 21, где fosc — частота генератора. [7]

Частота выходного сигнала первичного преобразователя зависит от влажности эмульсии и от конкретного экземпляра первичного преобразователя. Поэтому перед монтажом необходимо установить зависимость частоты первичного преобразователя от влажности измеряемой эмульсии. Для нахождения этой зависимости измеряют выходную частоту первичного преобразователя при пропускании через него водонефтяной эмульсии, взятой с места предполагаемого монтажа влагомера, с заранее известной влажностью. Эта операция выполняется на специальных градуировочных установках типа УПВН-2 или аналогичных. [8]

Поэтому частота выходного сигнала в два раза меньше входного, это необходимо учесть при определении коэффициентов гармонической линеаризации. [9]

Одновременно частота выходного сигнала тахометрического преобразователя преобразуется в ток 0 — 5 ма и в постоянное напряжение 0 — 100 мв. Это напряжение регистрируется вторичным регистрирующим и показывающим прибором со шкалой, отградуированной в единицах расхода. [10]

Изменение частоты выходного сигнала преобразователя , вызванное изменением температуры окружающего воздуха от 20 5 С до любой температуры в пределах от 5 до 80 С, на каждые 10 С не превышает 0 05 % нормирующего значения измеряемой величины. [11]

Нестабильность частоты выходного сигнала прибора определяется используемым опорным генератором, поэтому для улучшения характеристик сигнала вместо внутреннего кварцевого генератора можно использовать внешний стандарт частоты. Внутренний кварцевый генератор имеет, кроме того, вход управления, позволяющий синхронизировать его с любым внешним источником высокостабильного сигнала системой ФАПЧ. [12]

КМСЧ имеют частоты выходных сигналов 0 1; 1 и 5 МГц. В состав стандартов, помимо устройств стабилизации частоты, входят специальные каскады формирования шкал и сигналов времени, коррекции значений частот выходных сигналов, отсчетные устройства текущего времени, узлы резервирования по питанию, узлы контроля работоспособности стандарта и параметров выходного сигнала. [13]

Мощность и частота выходного сигнала неустойчивы. [14]

Дискретность перестройки частоты выходного сигнала реализуется либо только каналом переменной частоты, либо обоими каналами. Во втором случае канал переменгюй частоты обеспечивает грубую перестройку частоты ( обычно 10 — 100 точек), а канал фиксированной частоты — точную перестройку в пределах одной ступени канала переменной частоты. Оба канала используют метод многократных когерентных преобразований частоты опорного генератора. [15]

Генераторы сигналов

Генераторы сигналов – приборы, позволяющие получать электрические, акустические и иного рода импульсы. Устройства бывают разных видов — обычно прибор подбирают под конкретную цель. Решающими факторами при выборе могут оказаться форма прибора, его статические функции и энергетические показатели. Устройство применяют в разных сферах — как в медицине, так и в быту (стиральные машины, микроволновки).

Историческая справка

Первый генератор был создан в 1887 году немецким физиком Германом Герцем. Прибор разрабатывался на основе индукционной катушки (или катушки Румкорфа). Он был искровым и вырабатывал электромагнитные волны. Потом история развивалась так:

• 1913 г. Другой немецкий ученый, Александр Мейснер, создал электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом.
• 1915 г. Появилась ламповая (или индуктивная) схема. Включение контура было автотрансформаторным, что отличало его от ранних изобретений. Идея принадлежала американскому физику Ральфу Хартли.
• 1919 г. На этот раз идея снова принадлежит американцам. Ученый Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, подключаемое к колебательному контуру посредством емкостного разделителя напряжения.

Это было лишь начало. Позже инженерами разных стран было создано множество вариаций электронных генераторов.

Как устроен генератор сигналов?

Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.

Стандартная модель сигнального генератора состоит из нескольких частей:

1. Экран на передней панели. Нужен для отслеживания колебаний и управления ими.
2. Редактор. Расположен в верхней половине экрана. Позволяет выбрать функцию.
3. Секвенсор. Размещён чуть ниже редактора, дает информацию о частоте колебаний.
4. Регулятор. Контролирует и настраивает частоту изменений.
5. Выходы сигналов. Обычно располагаются под экраном в самом низу прибора. Рядом – кнопка включения оборудования.

Смещение сигнала и его амплитуда обычно регулируются 2 кнопками. Работа с файлами происходит через мини-панель. Она дает пользователю просмотреть результаты тестирования или сохранить их для будущего анализа.

Принцип действия

Рассмотрим схему действия на примере простейшего электронного генератора. Есть проводник и магнитное поле, по которому он движется. В качестве проводника обычно используют рамку.

Принцип действия таков:

1. Рамка крутится внутри поля и пересекает линии магнитной индукции, отчего образуется электродвижущая сила.
2. Электродвижущая сила воздействует на ток, который начинает двигаться по рамке.
3. Электроток проникает в наружную цепь за счет контактных колец.

Схема генератора похожа на схему усилителя. Разница в том, что у первого нет источника входного сигнала. Он заменяется сигналом положительной обратной связи (ПОС).

В процессе обратной связи (ОС) часть выходного сигнала направляется на входную цепь. Структура такого импульса задается спецификой цепи обратной связи. Чтобы обеспечить нужную периодичность колебаний, цепи ОС создают на базе LC или RC-цепей. Частота будет зависеть от времени перезарядки конденсатора.

После формировки в цепи ПОС сигнал отправляется на вход усилителя. Там он умножается в несколько раз и поступает на выход. Оттуда часть отправляется на вход посредством цепи ПОС и снова ослабляется, возвращаясь к исходному значению. Благодаря такой схеме внутри устройства поддерживается постоянная амплитуда выходного сигнала.

Как устроен генератор смешанных сигналов?

Принцип действия генератора смешанных импульсов направлен на то, чтобы ускорить образование сигналов и воспроизводить их с максимальной точностью. Передняя панель прибора снабжена органами управления для контроля самых важных и часто изменяемых параметров. Менее востребованные и редко используемые функции можно найти в меню на основном экране.

Регулятором уровня устанавливается амплитуда движения выходного сигнала. Амплитуду и смещение можно регулировать без входа в многоуровневую систему меню.

Отдельный регулятор также позволяет изменить частоту дискретизации путем изменения периодичности выходного сигнала. При этом форму последнего этот настройщик изменить не сможет. Такая функция есть лишь в меню на основном экране редактирования. Форму выбирают при помощи сенсорной панели или мышки. Пользователь открывает нужную страницу и просто заполняет бланк с цифровой клавиатуры или поворотной ручкой.

Виды генераторов сигналов

Приборы различаются по ряду характеристик. Например, по форме сигнала (синусоидальные, прямоугольные, в виде пилы), по частоте (низкочастотные, высокочастотные), по принципу возбуждения (независимое, самовозбуждение). Однако существует несколько основных видов — о них и расскажем подробнее.

Синусоидальный

Прибор усиливает первоначальный синусоидный код в десятки раз. На выходе получается частота до 100 МГц. При этом исходный синус, как правило, не превышает 50 МГц. Генераторы синусоидального импульса активно используют при проверке блоков питания, инверторов и другой высокочастотной техники, а также радиоаппаратуры.

Генератор низкочастотный

Ниже схема самого простого низкочастотного генератора. На ней видно, что в приборе присутствуют переменные резисторы. Они позволяют корректировать форму и частоту сигнала. Изменить силу импульса можно подключенным модулятором KK202.

Такой прибор подойдет для настройки аудиоаппаратуры (звуковых усилителей, проигрывателей). Наиболее доступным вариантом низкочастотного генератора является обычный компьютер. Достаточно скачать драйверы и подключить его к аппаратуре через переходник.

Генератор звуковой частоты

Стандартная конструкция с микросхемами внутри. Напряжение подается в селектор, а сам сигнал генерируется в одной или нескольких микросхемах. Частоту можно настраивать при помощи модуляционного регулятора. Прибор отличается более обширным диапазоном частоты, чем аналоги (до 2000 кГц).

Импульсы произвольной формы

Генераторы с импульсами произвольной формы имеют повышенную точность. Погрешность минимальная — до 3%. Выходной импульс подвергается тонкой регулировке с применением шестиканального селектора. Прибор вырабатывает частоту от 70 Гц.

Устройства делят по степени синхронизации. Зависит она от типа коннектора, который установлен в прибор. Поэтому сигнал может усиливаться за 15-40 ньютон-секунд. Некоторые модели работают на 2 режимах – линейном и логарифмическом. Режим меняется переключателем, за счет чего корректируется амплитуда.

Контроллеры сложных сигналов

В сборке присутствуют только многоканальные селекторы, так как приборы получают импульсы сложной формы. Сигналы многократно усиливаются, режим можно изменить при помощи регулятора. Вариацией такого прибора считается DDS (устройство по схеме прямого цифрового синтеза).

Базовая плата оборудуется микроконтроллерами, которые легко снимаются и ставятся на место. В некоторых моделях можно заменить микроконтроллер одним движением. Если редактор монтированный, ограничители установить нельзя. Прибор генерирует измерительный сигнал мощностью до 2000 кГц с погрешностью до 2%.

Генератор цифрового сигнала

Цифровые генераторы популярны, потому что отличаются высокой точностью. Пользоваться ими удобно, однако они нуждаются в тщательной настройке. Здесь стоят коннекторы KP300, резисторы достигают сопротивления от 4 Ом. Это позволяет добиться предельно допустимого внутреннего напряжения в схеме.

Области применения

Генераторы сигналов используют современные лаборатории разработчиков электронных и измерительных приборов. Одинаковые генераторы могут применяться в кабинетах от начального до продвинутого уровня.

Однако эти функциональные устройства применяют для настройки и тестирования оборудования и в областях, более доступных обывателю. Вот лишь неполный список устройств, которые используют генераторы:

• мобильные телефоны, техника для передачи данных, радио- и телеприемники;
• вычислительные приборы;
• инверторы, источники бесперебойного питания от электричества или импульсов;
• бытовые приборы (СВЧ-печи, стиральные и посудомоечные машины);
• измерительные приборы (амперметры, вольтметры, осциллографы);
• медицинская аппаратура (томографы, электрокардиографы, аппараты УЗИ).

Находчивые пользователи применяют устройства и для иных целей. Например, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а RStamp SMA100A хорошо показал себя в регулировке аэронавигационных систем.

Генераторы колебаний. Основы. Часть 1

Введение

Эти статьи о генераторах рассказывают о том, как много применяется генераторов для различных целей, построенных как на дискретных (отдельных) компонентах, так и в виде интегральных микросхем. Также вы узнаете, как собрать и протестировать генераторы своими руками.

Что такое генератор

Генератор обеспечивает наличие повторяющегося (периодического) переменного сигнала на его выходных зажимах, не требуя при этом наличия какого-либо входного сигнала (кроме источника питания). Сигнал, вырабатываемый генератором, обычно имеет постоянную амплитуду.

Форма сигнала и амплитуда определяется схемой генератора и выбором параметров компонентов.

Частоты выходного сигнала может быть фиксированной или изменяющейся, в зависимости от схемы генератора.

Типы генераторов

Генераторы могут классифицироваться по типу сигнала, который они «производят».

• ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ производят синусоидальные колебания на выходе
• РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ и АСТАБИЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ производят импульсы прямоугольной формы и треугольные импульсы.
• ГЕНЕРАТОРЫ ПИЛООБРАЗНЫХ КОЛЕБАНИЙ (генераторы развертки) производят пилообразные сигналы.

Рисунок 1.0.1 — Условное обозначение генератора (источника переменного тока)

Генераторы синусоидальных колебаний также можно классифицировать по частоте или по типу используемого управления частотой. РЧ-генераторы (генераторы радио-частоты) работают на частотах выше, примерно, 30 — 50 кГц и используют LC (катушки индуктивности и конденсаторы) или кварцевые резонаторы для задания частоты. Они также могут подразделяться на СЧ, ВЧ и СВЧ генераторы в зависимости от частоты.

НЧ (низкочастотные) генераторы в общем используются для генерирования частот ниже 30 кГц и обычно представляют собой RC-генераторы, поскольку используют резисторы и конденсаторы для задания частоты.

Генераторы прямоугольных колебаний такие как релаксационные генераторы и астабильные мультивибраторы могут использоваться на частотах от 1 Гц, до нескольких ГГц и очень часто реализованы в виде интегральных микросхем.

Генераторы синусоидальных колебаний

В идеале эти схемы производят чистые синусоидальные колебания, имеющие постоянную амплитуду и стабильную частоту. Тип схемы выбирается в зависимости от определенного количества факторов, включая требуемую частоту. Решения, построенные основе колебательного контура или кварцевого резонатора применяются для ультразвуковых и радиочастотных конструкций, однако в аудиотехнике и низкочастотных схемах физический размер компонентов колебательного контура (L и C) будет слишком большим для практического применения. По этим причинам для задания частоты применяется комбинация из R и C.

Схемные решения, используемые для этих цепей задания частоты приведены на рисунке 1.0.2.

Рисунок 1.0.2 — Схемные решения для задания частоты

LC генераторы

Катушки и конденсаторы объединяются в схеме резонатора, которая генерирует синусоидальные колебания очень хорошей формы и имеет довольно хорошую стабильность частоты. То есть частота не сильно меняется при изменении напряжения источника питания или температуры окружающей среды, но при этом относительно просто, используя регулируемую катушку индуктивности или переменный конденсатор, сделать изменяющуюся (настраиваемую) частоту. LC генераторы широко применяются для генерирования и приёма радиочастотных сигналов, где необходима подстройка частоты.

RC (или CR) генераторы

На низких частотах, таких как аудио сигналы, значения L и C, необходимые для генерирования колебательным контуром, будут слишком большими и громоздкими для практического применения. Поэтому резисторы и конденсаторы объединяются в схеме RC генераторы для производства синусоидальных сигналов на этих частотах, несмотря на то, что намного труднее получить чистые синусоидальные колебания, используя R и C. Эти низкочастотные синусоидальные генераторы применяются в аудиотехнике и различных технических решениях, использующих или стабильную или переменную частоту.

Кварцевые генераторы

На радиочастотах и выше, когда требуется фиксированная частота с очень хорошими показателями стабильности, компонентом, который устанавливает частоту генерации, обычно, является кварцевый резонатор, который, когда подвергается воздействию переменного напряжения, резонирует с очень точной частотой. Частота зависит от физических размеров кристалла, то есть кристалл, изготовленный по конкретным размерам будет иметь определенную точную резонансную частоту. Схемы кварцевых генераторов могут генерировать как синусоидальные колебания, так и прямоугольные сигналы и так же применяются для генерирования очень точно частоты несущей волны в радио трансмиттерах. Они также формируют основу для точных тактовых схем, часов и компьютерных систем.

Релаксационные генераторы

Эти генераторы работают по принципу, отличающемуся от генераторов синусоидальных колебаний. Они производят прямоугольный сигнал или пульсации и в общем виде имеют два усилителя, схема управления частотой просто генерирует временную задержку между двумя «действиями». Два усилителя работают в ключевом режиме, поочередно переключаясь из режима насыщения в режим отсечки, а время переключения из одного состояния в другое занимает очень малую часть каждого периода колебаний. Остальную часть цикла они «отдыхают», пока времязадающая цепь «производит» остальную часть волны. Альтернативное название этого типа генераторов — «астабильный мультивибратор», это название происходит из того факта, что они содержат более одного генераторного элемента. Обычно имеется два осциллятора, т.е. «вибратора», каждый из которых передает часть своего сигнала второму, и выход изменяет своё состояние с низкого на высокое и так повторяется снова, то есть отсутствует стабильное состояние, поэтому он астабильный. Релаксационные генераторы могут быть построены на основе нескольких различный решений и могут работать на разных частотах. Астабильные схемы часто выбирают для таких задач, как генерация цифровых сигналов высокой частоты. Они также используются для создания низкочастотных ON-OFF сигналов для мигающих огней.

Генераторы пилообразного напряжения (развертки)

Они имеют линейно-изменяющееся напряжение в течение почти всего цикла, которое следует за быстрым возвратом к начальному значению. Эта форма сигнала удобна для изменения частоты генератора, управляемого напряжением, который может изменять свою рабочую частоту относительно установленного значения за счёт изменяющего пилообразного напряжения, поданного на его управляющий вход. Генераторы пилообразного напряжения часто строятся на основе генератора линейно-изменяющего напряжения, который представляет собой конденсатор, заряжающийся постоянным значением тока. Удержание зарядного тока неизменным пока увеличивается напряжение позволяет конденсатору заряжаться линейно, в отличие от его обычной экспоненциальной кривой. В последний момент конденсатор быстро разряжается, возвращая выходное напряжение в исходную точку.

Важные характеристики генераторов сигналов

В современном мире без использования генераторов невозможно представить себе ни один из процессов проектирования, тестирования, наладки, ремонта электронных устройств. При тестировании и исследовании компонентов радиосистем генератор сигналов является важнейшим помощником осциллографов.

При этом современный рынок утопает в обилии моделей и разновидностях генераторов сигналов. Как разобраться в этом множестве: от простых импульсных сигналов до сложнейших сигналов произвольной формы? Наше краткое руководство поможет Вам сделать шаг в верном направлении, разберёмся вместе в основных видах и характеристиках генераторов сигналов!

Генератор сигналов представляет собой электронный прибор, генерирующий периодические и непериодические сигналы (аналоговые или цифровые). Он создаёт сигналы разной частоты и формы. Сформированные сигналы отличаются различными типами модуляции.

При работе генератор подаёт тестовые сигналы с изменяемой амплитудой на компоненты. Подаваемые сигналы изменяют свою форму и по этим изменениям можно судить о состоянии диагностируемого оборудования или прибора. Наиболее распространенные формы сигналов: синусоидальные, прямоугольные, треугольные, пилообразные, меандры.

Выбор генератора сигналов зависит от сферы его применения. Важными критериями являются частотная область, диапазон уровней, спектральная чистота, доступные модуляции (аналоговые, цифровые) и функциональные возможности для добавления определенных помех в сигналы.

Генераторы сигналов делятся на два основных типа: аналоговые и цифровые.

Аналоговые генераторы обеспечивают поддержку режимов аналоговой модуляции АМ, ЧМ и ФМ, многие также могут генерировать точные импульсные сигналы с различными характеристиками. Обладают высокой частотой спектра, низкими собственным и фазовым шумами, а также характеризуются отсутствием гармоник. Такие генераторы чаще всего применяются качестве источника для измерений фазового шума или в качестве эталонного калибровочного сигнала, являются универсальным инструментом для измерения усиления, линейности, полосы пропускания.

Векторные генераторы преобразуют сигналы модуляции в высокие частоты и выводят их. Сигнал модуляции генерируется цифровым способом и обрабатывается как поток комплексных данных I/Q в основной полосе частот. Дополнительно могут включаться различные возможности, такие как создание асимметричных характеристик и многие другие. Применяются при генерации сигналов для беспроводной связи, цифрового радио и телевидения, GPS, для тестирования цифровых приемников или модулей при разработке и производстве, а также для имитации ухудшения сигнала.

Также приборы подразделяются на генераторы НЧ сигналов и ВЧ сигналов.

Генераторы НЧ сигналов являются источником периодических сигналов напряжения, с изменяемой амплитудой и частотой. В зависимости от модели генераторы способны излучать синусоидальный сигнал в различных диапазонах частот — от инфразвуковых (менее 20 Гц) до ультразвуковых (до 200 кГц), реже до 2 или 10 МГц.

Генераторы ВЧ сигналов являются устройствами для настройки и тестирования измерительных приборов, автомобильных радаров, сканеров и других устройств путем подачи сигнала с заданными параметрами на испытываемый модуль, с требуемыми энергетическими и статистическими характеристиками. Имеют широкий диапазон частот — от нескольких кГц до десятков ГГц. Существует два вида устройств — аналоговые (сигналы с частотной и амплитудной модуляций, а также импульсные) и векторные (цифровая модуляция).

А теперь приведём основные характеристики, влияющие на выбор генератора сигналов.

• Объём памяти (число ячеек) является характеристикой, которая непосредственно определяет длину записи генератора. Объём влияет на достоверность воспроизведения сигнала, поэтому хороший объём памяти позволит Вам зафиксировать большое количество периодов сигнала.
• Частота дискретизации (частота выборок) определяет количество выборок за определённый отрезок времени. Она оказывает влияние на минимальный интервал времени, используемый при создании сигналов. Для качественной работы частота выборок должна минимум вдвое превышать частоту самой высокой спектральной составляющей генерируемого сигнала.
• Разрешение по вертикали (динамический диапазон) определяется разрядностью ЦАП. Разрешение по вертикали означает точность амплитуды и достоверное воспроизведение искажений сигнала. Чем выше разрядность ЦАП, тем чётче разрешение. Чем выше разрешение, тем ниже частота дискретизации.
• Полоса пропускания устанавливает диапазон частот выходного сигнала, который генератор может надёжно воспроизвести. Полоса пропускания определяет прохождение высших частотных составляющих сигнала без ухудшения характеристик этого сигнала.
• Число выходных каналов. При наличии независимых каналов появляется возможность генерации различных испытательных сигналов. Независимые каналы повышают гибкость прибора при работе.
• Функциональные возможности: количество воспроизводимых стандартных сигналов, модуляция, амплитуда на выходе и возможности редактирования сигнала.

Специалисты НПО «Радар» помогут Вам при выборе такого важного прибора, как генератор сигналов. При этом в каталоге нашей компании представлен широкий выбор генераторов импульсов, векторных сигналов, сигналов специальной формы и других:

• Генераторы НЧ и шума
• Генераторы ВЧ
• Генераторы ВЧ Г4
• Генераторы векторных сигналов
• Генераторы сигналов специальной формы
• Генераторы импульсов

Генератор сигналов из набора: плюсы и минусы

Генератор сигналов был в лаборатории нашего института — это такой большой ящик с десятком ручек регулировки. Он был ламповый и грелся минуты три до выхода на нормальный режим работы. Может ли маленькая платка за 7 долларов выполнять основные его функции? Посмотрим.

Технические характеристики генератора из описания магазина:

Питание: 9-12 вольт
Форма сигналов: прямоугольная, треугольная, синус
Импеданс: 600 Ом ± 10%
Частота: 1 Гц — 1 Мгц
Настройка частоты и амплитуды
Разрешение сигнала: 5 бит
Возможность грубой и тонкой настройки.

Синус:
Амплитуда: 0-3 вольта при питании 9 вольт
Дисторшн: менее 1% при частоте 1 КГц.
Равномерность: +0.05dB в диапазоне 1Гц — 100КГц.

Прямоугольный сигнал:
Амплитуда без нагрузки: 8 Вольт при питании 9 Вольт.
Возрастание сигнала — менее 50нс (на частоте 1КГц)
Спад синала — менее 30нс (на частоте 1КГц)
Симметричность: менее 5% (на частоте 1КГц)

Треугольный сигнал:
Амплитуда: 0 — 3 вольта при питании 9 вольт.
Линейность: менее 1% в диапазоне до 100 КГц при токе 10 мА.

Там же красным по белому написано, что эта версия поставки не включает в комплект корпус. Но мне прислали с корпусом. Приятная неожиданность.

Итак, генератор сигнала поставляется в разобранном виде. Но собирается настолько быстро и приятно, что это пожалуй даже плюс.

В комплекте присутствует плата, набор комплектующих, микросхема XR-2206 (основа всего проекта), инструкция, детали корпуса из оргстекла и необходимые для сборки винтики и гаечки.

Инструкция достаточно подробная, ошибиться в сборке по ней невозможно. Кроме схемы размещения деталей, там указан из список с упоминанием полярности там, где это надо, обшие рекомендации по сборке и принципиальная схема обвязки микросхемы. Все на английском.

Деталей мало, установка очевидна, справится даже чайник. Белая полоска на электролитиках должна совпадать с заштрихованной стороной круга, нарисованного на плате. Резисторы лучше проверять мультиметром, прежде чем устанавливать. Пожалуй, и вся премудрость.

Детели установлены на свои места, можно приступать к пайке.

Но прежде чем паять, я заглянул в датшит и полистал в интернете. Там советуют заменить резистор R4, отвечающий за подстройку синуса, на реостат. Это даст возможности минимизировать ненужные гармоники и приблизить сигнал к идеальной синусоиде. Так что я решил сразу впаять реостат в 500 Ом.

Вот так получилось. Паяется все легко, только перед впаиванием разъема питания нужно примерить боковину корпуса, чтобы потом все нормально собралось. Снизу платы желательно длинные «хвосты» не оставлять, так как плата должна быть прижата к дну корпуса, иначе не хватит длины болтов, фиксирующих плату.

В конце собираем корпус. Детали хорошо подогнаны друг к другу. Винты вкручиваются в фигурные отверстия в форме звездочек. Они легко и с первого раза нарезают там резьбу, сидят потом плотно, не выпадают и не выкручиваются.

Длины штатных винтов, крепящих плату, мне не хватило, так что я подобрал свои, даже с дистанционными шайбочками.

Вот итог всех трудов:

Подсоединяем осциллограф, включаем.

Все работает. Попробуем повысить напряжение питания. По датшиту микросхемы, она питается напряжением от 10 до 26 вольт.

Синхронизация сбивается, при обследованиии синусодиы видно, что начинет сбиваться фаза.

В режиме прямоугольного сигнала та же история:

При снижении напряжения питания ниже 12 вольт сигнал восстанавливается, но амплитуда выходного сигнала ограничивается входным минус 2 — 3 вольта:

Ну нам и не обещали работу от 26 вольт. В описании генератора заявлена работа как раз от 12 вольт. Так что все по-честному.

Посмотрим на диапазон частот:

Минимально получилось порядка 0,6 Гц.

Не подумайте, что это такой затейливый сигнал, это просто осциллограф дуреет и считает, что мы имеем дело с постоянным напряжением. При переключении в режим постоянного напряжение получаем такую картину:

Вот так вот! Полка 1 вольт, размах сигнала от 1 до 9,8 вольт. Амплитуда, таким образом, 8,8 вольта. Такая же история и с другими сигналами — синусом и треугольником. Для некоторых применений это не критично, а вот для тестирования аппаратуры, где нет входного фильтра, полка ни к чему. Такой сигнал надо пропускать через конденсатор, чтобы лишить его постоянной составляющей.

Устанавливаем конденсатор 2,2мкФ:

Ну вот. Теперь красивая синусоида вокруг нуля и в режиме измерения постоянки!

Крупнее, в режиме переменного напряжения:

И тот же сигнал, в режиме постоянного напряжения, с фильтрующим конденсатором 2,2мкФ:

С треугольником что-то не задалось, форма получилась такая:

При замене конденсатора на 3,3 мкФ все пришло более-менее в норму:

Но, прямо скажем, 0,6 Гц — не самый актуальный режим работы. Вот как выглядит треугольник на частоте в 1 КГц. Без конденсатора, в режиме AC:

С конденсатором, в режиме DC:

Как видим, все совершенно одинаково.

Теперь выкручиваем ручки частоты на максимум:

Синус красивый, частота получилась даже больше заявленной: 1,339 МГц.

Ну а что вы хотели — на таких-то частотах! От синуса отличается чуть большей амплитудой. На самом деле, такая разница в амплитудных значениях характерна для всего диапазона частот: в микросхеме синус делается из треугольника, у которого сглаживаются вершины.

Прямоугольный сигнал идет с другого выхода микросхемы. Он не регулируется по амплитуде, хотя она у него зависит от входного напряжения. На самом деле, это еще большой вопрос, выдает ли генератор кривой сигнал, или это осциллограф не может его отобразить. Или вообще щупы виноваты.

Амплитуда синуса и треугольника, как я уже говорил, может тоже регулироваться в известных пределах: если перестараться, то треугольник может получиться таким:

Соответственно, заваливаются и вершины синуса, но это не так заметно. Поэтому в режиме синуса полезно иногда переключаться на треугольник и проверять, хорошо ли отображаются вершины. Уменьшаем амплитуду:

Ну вот, теперь и синус будет красивый:

Для того, чтобы понять, насколько хорош этот синус, есть проверенный способ: глянуть на преобразование Фурье от него. Вот что получилось:

У нас есть хороший пик на частоте 100 КГц, есть пики второй и третьей гармоники, но они вполне допустимых размеров, для такой техники. Установленным подстроечником можно их минимизировать. Удобно использовать прецизионный реостат, там от упора до упора много оборотов винта, так что удобно настроить буквально доли ома. Эта картинка — как раз результат моей подстройки. У меня получилось оптимальное значение резистора R4 — 243 Ома. К слову, в набор положили резистор 330 Ом.
Для сравнения, вот спектр треугольного сигнала:

Видим красивые пики на боковых гармониках, ну так это же треугольник, а не синусоида. Для комплекта, вот прямоугольный сигнал:

Тут и так все понятно. Как видим, прямоугольник на 100 КГц остается более-менее прямоугольным. Проверим, что делается на 1 МГц:

Меандр похож на клюв тукана.

Картинки у меня кончились, теперь пару слов общих впечатлений.

Регулировка амплитуды грубовата в области низких значений, кроме того, ее почему-то сделали обратной: по часовой стрелке — уменьшаем, против часовой — увеличиваем. Регулировка частоты, что грубая, что тонкая — почти одинаково влияют на результат. Тонкую я сделал бы реостатиком меньшего номинала. Но это придирки, конечно, можно привыкнуть за пару раз использования.
Резистор, который влияет на дисторшн синуса, можно было бы сделать подстроечником, как и предусмотрено в датшите микросхемы. Но если уж делать резистор, то 330 Ом — явно перебор, там нужно 200-250 Ом.

В остальном прибор порадовал: собирается легко, можно даже с ребенком собрать, как конструктор. Довольно хорошо генерирует сигналы до полумегагерца, дальше хорошо получается в основном синус. Но меандр таких частот обычно и не нужен. Вообще, прибор за 7 долларов, который помещается в карман и способный перекрыть 98% потребностей радиолюбителя в генерировании сигналов — вполне хороший выбор.
Порадовал и корпус — собирается хорошо, выглядит превосходно!

Ссылка на генератор сигналов в магазине: тыц. (цена сегодня $7.68)

Подстроечный реостатик на Али — набор 15 штук разных номиналов, на все случаи жизни. Цена около ста рублей. Пятьсот Ом там тоже есть.