Что такое опорный генератор для приемника

Опорные генераторы

В настоящее время при разработке радиоэлектронной аппаратуры уделяется огромное внимание стабильности ее характеристик. Средства подвижной радиосвязи, в том числе сотовой связи не являются исключением. Основным условием достижения стабильных характеристик узлов радиоэлектронной аппаратуры является стабильность частоты задающего генератора.

В составе любой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе приемников, передатчиков, микроконтроллеров обычно присутствует большое количество генераторов. Первоначально приходилось применять усилия для обеспечения стабильности частоты всех генераторов. С развитием цифровой техники люди научились формировать колебание любой частоты из одной исходной частоты. В результате появилась возможность выделить дополнительные средства для повышения стабильности частоты ОДНОГО генератора и тем самым получить целый ряд частот с очень высокой стабильностью. Такой генератор частот получил название опорный генератор

Первоначально для получения стабильных колебаний LC генераторов применялись особые конструктивные методы:

Изменение индуктивности за счет расширения металла проволоки компенсировали выбором материала сердечника, влияние которого было обратным по отношению к влиянию проводников индуктивности;
осуществляли вжигание металла в керамический сердечник с малым температурным коэффициентом расширения;
в контур включались конденсаторы с различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

Таким образом удавалось достигнуть стабильности частоты опорного генератора 10 –4 (на частоте 10 МГц уход частоты составлял 1 кГц)

Одновременно велись работы по применению совершенно других методов получения стабильных колебаний. Были разработаны струнные, камертонные, магнитострикционные генераторы. Их стабильность достигала весьма высоких значений, но при этом габариты, сложность и цена препятствовали их широкому распространению. Революционным прорывом оказалась разработка генераторов с применением кварцевых резонаторов. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе

В этой схеме опорного генератора баланс амплитуд обеспечивается транзистором VT1 а баланс фаз — контуром Z1, C1, C2. Генератор собран по стандартной схеме Колпитца. Отличием является то, что вместо катушки индуктивности применяется кварцевый резонатор Z1. Следует заметить, что в данной схеме не обязательно для обеспечения стабильной работы схемы применять эмиттерную стабилизацию. Часто оказывается вполне достаточно и коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Подобная схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема кварцевого генератора с коллекторной стабилизацией режима

Схемы кварцевых генераторов, приведенных на рисунках 1 и 2, позволяют получить стабильность частоты опорного колебания порядка 10 –5 На кратковременную стабильность колебаний опорного генератора наибольшее влияние оказывает нагрузка. При присутствии на выходе опорного генератора посторонних колебаний возможен захват его колебаний. В результате кварцевый генератор будет производить колебания с частотой помех. Для того, чтобы это явление не проявлялось в опорном генераторе на его выходе обычно ставят усилитель, основное назначение которого не пропустить внешние колебания в кварцевый генератор. Подобная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с развязкой частотозадающих цепей от выхода схемы

Не менее важным параметром, во многом определяющим фазовые шумы генератора (для цифровых схем — джиттер сигнала синхронизации), является напряжение питания, поэтому опорные кварцевые генераторы обычно запитывают от высокостабильного малошумящего источника напряжения и осуществляют фильтрацию питания RC или LC цепочками.

Наибольший вклад в нестабильность частоты кварцевого генератора вносит температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора. При изготовлении резонаторов кварцевых опорных генераторов обычно применяются AT-срезы, обеспечивающие наилучшую стабильность частоты в зависимости от температуры. Она составляет 1*10 –5 (10 миллионнных или 10 ppm). Пример зависимости частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры при различных углах среза (шаг изменения угла среза 10′) приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры

Нестабильности частоты 1*10 –5 достаточно для большинства радиоэлектронных устройств, поэтому кварцевые генераторы без специальных мер по повышению стабильности частоты применяются очень широко. Опорные генераторы с кварцевой стабилизацией без дополнительных мер по стабилизации частоты называются XO.

Как это видно из рисунка 4, зависимость частоты настройки кварцевого резонатора с AT-срезом от температуры хорошо известна. Более того, эту зависимость можно снять экспериментально для каждого конкретного экземплята кварцевого резонатора. Поэтому, если постоянно измерять температуру кварцевого кристалла (или температуру внутри кварцевого опорного генератора), то частоту генерации опорного генератора можно сместить к номинальному значению увеличивая или уменьшая дополнительную емкость, подключенную к кварцевому резонатору.

В зависимости от схемы управления частотой такие опорные генераторы называются TCXO (кварцевые генераторы с термокомпенсацией) либо MCXO (кварцевые генераторы с микроконтроллерным управлением). Стабильность частоты таких кварцевых опорных генераторов может достигать 0.5*10 –6 (0.5 миллионных или 0.5 ppm)

В ряде случаев в опорных генераторах предусмотрена возможность подстройки номинальной частоты генерации в небольших пределах. Подстройка частоты осуществляется напряжением, подаваемым на варикап, подключенный к кварцевому резонатору. Диапазон подстройки частоты генератора не превышает долей процента. Такой генератор называется VCXO. Часть схемы опорного генератора (без схемы термокомпенсации) приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Кварцевый генератор с подстройкой частоты внешним напряжением (VCXO)

В настоящее время многие фирмы выпускают опорные генераторы со стабильностью частоты до 0,5*10 –6 в малогабаритных корпусах. Пример чертежа подобного опорного генератора приведен на рисунке 6.

Рисунок 6. Внешний вид опорного кварцевого генератора с температурной компенсацией

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Опорные генераторы Сайт АО Омский научно-исследовательский институт приборостроения
Сайт фирмы Racon Опорные кварцевые генераторы
Кварцевые генераторы Официальный сайт фирмы ОАО Пьезо
Официальный сайт фирмы Silicon Laboratories
Temperature Compensated Crystal Oscillator (TCXO / VCTCXO) Pericom® Semicondactor company
http://www.synergymwave.com (Специализируется на производстве высококачественных ГУН и кварцевых генераторов)
http://www.ruknar.com/ РУБИДИЕВЫЕ ОПОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ
microsemi.com/(производит малогабаритные стандарты частоты) Miniature Rubidium Atomic Clock
http://quartzlock.com/(производит малогабаритные стандарты частоты) Rubidium-oscillators E10-MRX
http://www.iqdfrequencyproducts.com/(производит опорные генераторы) Advanced Modules & Rubidium Oscillators
Кварцевые генераторы URL: http://www.radiosait.ru/

Вместе со статьей «Опорные генераторы» читают:

ОПОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ Ка-ДИАПАЗОНА

Косов А. С., Зотов В. А., Скулачев Д. П.

Институт Космических Исследований Российской Академии Наук (ИКИ РАН) Профсоюзная ул., д.84/32, Москва – 117997, Россия Тел.: +7(095) 3332267; e-mail: [email protected] Вальд-Перлов В. М.

ГУП НПП «Пульсар», ГСП-5, Москва – 105187, Россия Тел.: (095) 3665677

Аннотация – Рассмотрен формирователь частоты диапазона 36-37 ГГц, использующий малошумящий управляемый напряжением генератор в диапазоне 12-12,5 ГГц и утроитель частоты на монолитной бескорпусной микросхеме.

Для современных систем связи необходимы опорные генераторы с высокой стабильностью частоты, малыми фазовыми шумами и с возможностью перестройки частоты с заданным шагом в определенном диапазоне частот. Создание опорных генераторов с требуемыми характеристиками в миллиметровом диапазоне длин волн является непростой задачей и требует применения последних достижений полупроводниковой СВЧ электроники. Для получения необходимой стабильности частоты и шага перестройки был создан задающий генератор в диапазоне 12-12,5 ГГц, стабилизированной по частоте схемой ФАПЧ. С целью уменьшения фазовых шумов задающего генератора был использован диэлектрический резонатор и малошумящий транзистор фирмы SiGe (LPT30), выполненный по технологии HBT на материале SiGe. Схема ФАПЧ выполнялась на синтезатор ADF4113 и управлялась микроконтроллером AT90S2313. В качестве утроителя частоты был применен усилитель типа АММС5040, производства Agilent, работающий в режиме генерации 3-ей гармоники. В результате выполненной работы был создан опорный генератор в диапазоне 36-37,5 ГГц с шагом перестройки 3,5 МГц и уровнем фазового шума -105 dBc/Hz @ 100 kHz. В докладе приводятся схема построения и результаты исследования опорного генератора для систем связи Ка-диапазона.

II. Основная часть

Блок-схема опорного генератора приведена на Рис.1.

Рис. 1. Блок-схема опорного генератора Fig. 1. Reference generator flow chart

Основой опорного генератора является ГУН, выполненный на SiGe HBT типа LPT16ED, который имеет малый уровень шумового источника на малых частотах, что позволяет получить малый уровень фазового шума генератора [1]. Опорный генератор строился по схеме с параллельной обратной связью через диэлектрический резонатор (ДР) [2]. Собственная добротность ДР равняется около 10 4 . Управление частотой генератора осуществлялось варакто- ром, который с связывался с полем ДР отрезком микрополосковой линии [3]. Буферный каскад на микросхеме NBB-310 увеличивал мощность до уровня около 20 мВт и развязывал ГУН от нагрузки. Диапазон электронной перестройки генератора составлял около 1%.

Основная часть мощности буферного каскада поступала на утроитель частоты, выполненный на микросхеме типа АММС5040, производства Agilent. При определенной величине смещения данная микросхема может эффективно генерировать третью гармонику входного сигнала. Уровень выходной мощности в диапазоне 36-37,5 ГГц составлял около 20 мВт, диапазон перестройки около 350 МГц. Для перекрытия полного диапазона 26-37,5 ГГц требуется четыре литеры.

Часть выходной мощности буферного каскада ответвлялась на делитель частоты, в качестве которого использовался делитель на 4 типа НММС3104. Поделенная частота в диапазоне 3-3,1 ГГц поступала на микросхему синтезатора частоты ADF4113. В качестве опорного источника синтезатора применялся кварцевый генератор на частоте 7 МГц. Коэффициент деления кварцевого генератора устанавливался равным 24, что определяло шаг перестройки частоты равным 3,5 МГц на выходной частоте опорного генератора. Синтезатор управлялся микроконтроллером AT90S2313. В момент включения питания микроконтроллер вводит необходимые данные в синтезатор, которые определяют выходную частоту опорного генератора.

На Рис. 2. представлена фотография ГУН, на которой можно также увидеть буферный каскад и делитель частоты.

Для режекции второй гармоники ГУН, находящейся в диапазоне 24-25 ГГц, выходной волновод опорного генератора выполнялся сечением 5,2 х 2,6 мм, являющимся запредельным для частоты второй гармоники.

Уровень фазового шума составляет -105 dBc/Hz @ 100 kHz и -75 dBc/Hz @ 10 kHz. Интеграл от фазовых шумов дает фазовую ошибку, вызванную шумами опорного генератора. Если вычесть фазовые шумы опорного кварцевого генератора, то эта величина составляет не более 6 градусов.

Спектр выходного сигнала опорного генератора на частоте 36120 МГц представлен на Рис. 3.

Рис. 2. Фотография ГУН, буферного каскада и делителя частоты.

Таким образом, разработан и исследован опорный генератор диапазона 36-37,5 ГГц с шагом перестройки частоты 3,5 МГц, предназначенный для систем связи /Са-диапазона. Генератор построен по схеме синтезатора частоты, и стабильность частоты определяется кварцевым опорным генератором на частоте 7 МГц. Фазовая ошибка, обусловленная шумами генератора (интеграл от спектра фазовых шумов) составляет около 6 градусов, что позволяет использовать данный генератор в системах с многопозиционной фазовой модуляцией.

Выходная мощность генератора около 20 мВт, диапазон 36-37,5 ГГц перекрывается четырьмя литерами.

IV. Список литературы

[1] Bart Van Haaren, Myrianne Regis, Olivier Llopis, Laurent Escotte, Andreas Gruhle, Claus Mahner, Robert Plana, and Jacques Graffeuil, “Low-Frequency Noise Properties of SiGe HBT’s and Application to Ultra-Low Phase-Noise Oscillators”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 46,

pp. 647-652, May 1998.

[2] M. Regis, O. Llopis, and J. Graffeuil, “Nonlinear Modeling and Design of Bipolar Transistors Ultra-Low Phase-Noise Dielectric-Resonator Oscillators”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 46, pp. 1589-1593, Oct 1998.

[3] Kenneth V. Buer and E1-Badawy El-Sharawy, “A Novel Technique for Tuning Dielectric Resonators”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 43, pp. 36-40, Jan 1995.

MASTER OSCILLATOR FOR KA-BAND COMMUNICATION SYSTEMS

KosovA. S., Zotov V. A., Skulachev D. P.

Fig. 2. VCO, buffer stage and scaler

Space Research Institute Russian Academy of Sciences, IKI, 84/32, Profsouznaya и I., Moscow-117997, Russia phone: (095) 3332267, e-mail: [email protected] Vald-Perlov V. M.

Рис. 3. Спектр сигнала опорного генератора на частоте 36120 МГц.

Fig. 3. Spectrum of reference generator signal at 36120 MHz

Science & Production Enterprise “Pulsar”

GSP-5, Moscow-105187, Russia, Phone: (095) 3665677

Abstract – Ka-band PLL master oscillator for communication systems was considered. It consists of 12-12.5 GHz frequency synthesizer and multiplier, based on monolithic IC AMMC5040.

The modern mm wave length communication systems need high performance, low phase noise master oscillators.

The PLL DR low noise oscillator was developed at frequency band 12-12.5 GHz. High quality (Q

10 4 ) DR and SiGe HBT (LPT30) were used to lower the phase noise of the VCO. The PLL circuit was based on ADF4113 synthesizer and AT90S2313 microcontroller. In order to multiply the VCO frequency at 3 IC, AMMC5040 was used. As the result the master oscillator at 36-

37.5 GHz frequency band was developed. The frequency step was 3.5 MHz, the phase noise was -105 dBc/Hz @ 100 kHz.

The report contains the detail information about the master oscillator circuit and performance.

The basic part of the oscillator is SiGe HBT DR VCO, developed on LPT16ED HBT and high quality (Q

10 4 ) DR, allowing to obtain low phase noise oscillator [1]. The parallel feedback and special microstrip for DR tuning by varactor [2-3] were used to design the VCO. The amplifier on NBB-310 IC was used to isolate the VCO and to increase the output power up to about 20 mW. The VCO frequency tuning range was about 1%.

The main part of the output power was used for frequency tripler, based on AMMC5040 monolithic IC. Special basing of the IC was used to optimize third harmonic contains in the output signal of the IC. The output [power at frequency band 36-

37.5 GHz was about 20 mW, the tuning range was about 350 MHz with step 3.5 MHz. So, it needs four options of the oscillator to cover the whole frequency band 36-37.5 GHz.

Part of the VCO output power was used for PLL circuit, based on ADF4113 synthesizer. As reference low noise 7 MHz quartz oscillator was used. For synthesizer control the AT90S2313 microcontroller was used.

The low noise Ka-band master oscillator for communication systems was developed. Four options of the oscillator covered 36-37.5 GHz frequency band with 3.5 MHz step. The phase noises were -105 dBc/Hz @ 100 kHz and -75 dBc/Hz @ 10 kHz. The total phase error, excluding phase error from the reference oscillator at 7 MHz, was no more than 6 degrees, which is compatible with complex phase modulation systems requirements.

Аннотация – Представлены исследования сверхвысокочастотного автогенератора на основе транзисторных структур типа НЕМТ, которые показали возможность как оптической, так и электрической регулировки частоты генерации.

Разработка и промышленное освоение технологии получения многослойных транзисторных гетероструктур позволило значительно увеличить мощность выходного сигнала и продвинуться в область сверхвысоких частот [1]. Использование динамического отрицательного сопротивления и реактивных свойств транзисторных гетероструктур типа НЕМТ позволяет значительно упростить схемы автогенераторов и улучшить перестройку частоты генерации. В работе представлены исследования зависимости частоты генерации от оптического управления автогенератора на основе НЕМТ-транзисторов.

II. Математическая модель

На рис.1 представлена схема автогенератора. Колебательный контур образован емкостной составляющей полного сопротивления на электродах сток транзистора VT1 и исток транзистора VT2 и индуктивности L1. Цепочка R2C1 создает дополнительную положительную обратную связь, что увеличивает динамическое отрицательное сопротивление. Воздействие оптического излучения на p-i-n фотодиод VD1 приводит к изменению емкостной составляющей полного сопротивления на электродах сток-исток транзисторов VT1 и VT2, что обеспечивает изменение частоты генерации. Сопротивления R1, R3 и R4 и источник постоянного напряжения U1 обеспечивают выбор рабочей точки на спадающем участке вольтамперной характеристики устройства.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

О важности правильного выбора опорного генератора для FPGA при разработке приложений для аудио, видео

Предыстория

Как-то потребовалось в одно чисто аналоговое устройство добавить возможностей. Затея была такова, что был совершенно очевиден факт, что результат может быть достигнут только цифровыми методами.

Устройство было достаточно сложным. Чтобы как-то оценить работу добавления, не нарушив функциональности уже отлаженной аналоговой части, появилась идея сделать модуль, который можно было бы испытать, а потом, в случае успеха, вставлять в уже работающий прибор. А если затея не получилась бы, то вместо модуля воткнуть заглушку, обеспечить прозрачный режим.

Схемотеника

Поскольку полное устройство должно было работать независимо от того, есть дополнительный модуль или нет, то очевидно, что на входе модуля должен был быть установлен АЦП, а на выходе — ЦАП.

Как следует из рисунка, на входе установлен АЦП типа ADC12020, на выходе — ЦАП типа DAC7821. Некоторое неудобство создавалось тем, что ADC12020 имеет дифференциальный вход. Но это неудобство оборачивается подавлением синфазных шумов и помех, что немаловажно для полного динамического диапазона.

Реализация

Модуль бы реализован в виде 4-слойной платы с габритами 50х30 мм, с 19х2 контактами с шагом 2.54 мм. Т.е. модуль может монтироваться с помощью розеток для обычных штыревых разъёмов.

Меняя чип 10Mxx, можно строить устройства различной степени сложности при тех же габаритах и интерфейсе.

Проблема

В первой реализации были использованы опорные кварцевые генераторы из магазина «Кварц», на которые даже не было данных, кроме частоты.

Тестирование модулей показало, что всё задуманное работает. Однако при соединении полных изделий по линии связи (а речь в данном случае идёт про трансиверы) оказалось, что связь не работает, либо работает на скоростях значительно ниже тех, которые должны были быть.
Внимательное исследование обнаружило, что имеются некие отклонения в граничных частотах синтезированных фильтров и выходных частотах модуля.

Обнаружилось, что причина этого — разброс частот опорных кварцевых генераторов до 10 кГц от номинала.

Сигнал имел довольно сложную структуру с модуляцией QPSK, принимался специализированным чипом, в котором заложена подстройка по частоте, но гораздо более узкая, чем получившиеся отклонения. Соответственно, приём был не возможен.

Путём замера конкретной частоты конкретного генератора и записи этой конкретной частоты в программу конфигурирования FPGA удалось устранить выявленную проблему.

В работе [1] показано влияние отклонения частоты на качество приёма.

Решение

Стандартные кварцевые генераторы, которые в избытке имеются на рынке, имеют вот такие параметры, как, например, генераторы от Seiko Epson[2]:

Видно, что лучший параметр, это 2х10-5, что на несущей частоте 50 МГц даёт значение отклонения 1 кГц, что может быть весьма критичным. В таблице также нет такого параметра, как выбег частоты по включении генератора.

Поиск на рынке по заданным параметрам отклонения частоты и возможности приобретения привёл к изделиям компании Taitien. На рисунке даны параметры серии TCXO[3]:

Из таблицы видно, что точность частоты по крайней мере на порядок выше, чем у стандартных кварцевых генераторов.

В результате стало возможным устанавливать связь между двумя устройствами без установки точной опорной частоты в FPGA. Реально используется генератор типа TYETBCSANF, который, правда, имеет выход в виде клипированной синусоиды. Но это преодолевается с помощью несложной схемы.

Заключение

При проектировании радиотехнических систем на базе FPGA нужно обращать внимание на качество опорного генератора, его стабильность. И выбирать опорный генератор в соответствии с требованиями к точности по частоте.

Источник опорной частоты

Данная статья является дополнением к обзору генератора OWON AG051F.

На момент написания статьи при тестировании генератора было обнаружено, что реальная частота на выходе немного отличается от выставленной, например:

Выставлено — 1.000000MHz
На выходе — 1.00002MHz

Выставлено — 100.0000kHz
На выходе — 99.8405kHz

Изначально я не обратил на это должного внимания, но мысли по этому поводу были разные:

В мануале к генератору указано, что прибор должен проработать и прогреться как минимум 30 минут, температурный дрейф и тд.;
Погрешность измерения аппаратного частотомера осциллографа;
Плохой встроенный кварцевый генератор;

Прогрев генератора не дал результатов, поэтому температурный дрейф можно исключить.
Для проверки частотомера осциллографа я подключил генератор к мультиметру Brymen BM-867S точность измерения частоты 0,002% + 4 ЕМР.
Как видно частота 99.837kHz, таким образом можно констатировать что именно генератор выдает неправильную частоту.

У себя в закромах я нашел неплохой кварцевый генератор на 20.000000MHz (FOX F1100e).

В генераторе есть аппаратный частотомер, в меню Utility>Counter, поэтому я решил подключить кварцевый генератор туда и посмотреть, что покажет частотомер.

Вход частотомера находится сзади

Встроенный частотомер показал частоту 20.0001MHz

Уже стало ясно, что встроенный опорный генератор не очень точный.

К счастью генератор умеет тактоваться от внешнего источника опорной частоты, но необходима тактовая частота 10MHz.
Для того что бы получить из 20, 10MHz я применил простейшую схему делителя частоты на D-триггере.

Выход организован из 3-х BNC разъемов, два из них будут иметь частоту 10MHz, и один будет подключен к выходу кварцевого генератора с частотой 20MHz.

Для питания используется металлический разъем 5.5 x 2.5 мм.

Для питания кварцевого генератора был применен небольшой DC-DC преобразователь купленный на Алиэкспресс.
Это необходимо для защиты входа, для возможности питающего напряжения изменятся в широком диапазоне без риска повреждения кварцевого генератора, а в последствии и всего прочего подключенного к опорному источнику.

В итоге получилось небольшое и очень простое устройство, на выходе мы имеем 10 и 20MHz, (некоторые виды генераторов требуют тактовую частоту 20MHz).

Питающее напряжение от 7-30В, для того, чтобы не терять возможность питания источника опорной частоты от USB, был сделан небольшой провод с повышающим DC-DC преобразователем MT3608.

Таким образом источник опорной частоты можно питать от любого USB порта, даже от USB порта осциллографа.

Опорный сигнал подается на тот же вход частотомера, после чего в меню Utility>System>CLK Src(Internal)

После нажатия на пункт CLK Src(Internal) генератор переключится на внешний опорный источник.

В случае когда опорный источник не подключен, либо частота не подходит, генератор выдает сообщение (No valid external clock detected.).

Результат не заставил себя долго ждать.

Теперь все в пределах погрешности измерительных приборов.

Конечно желательно иметь термокомпенсированные кварцевые генераторы (TCXO).

Но для обычных радиолюбительских задач, и конкретно для меня достаточно обычного кварцевого генератора, который позволил значительно улучшить характеристики генератора OWON AG051F.

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:

Экран на передней панели. Нужен для отслеживания колебаний и управления ими.
Редактор. Расположен в верхней половине экрана. Позволяет выбрать функцию.
Секвенсор. Размещён чуть ниже редактора, дает информацию о частоте колебаний.
Регулятор. Контролирует и настраивает частоту изменений.
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:

Рамка крутится внутри поля и пересекает линии магнитной индукции, отчего образуется электродвижущая сила.
Электродвижущая сила воздействует на ток, который начинает двигаться по рамке.
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 промежуточной и высокой частоты

Измерительные генераторы промежуточной и высокой частоты используются при налаживании и проверке тракта усиления ПЧ и ВЧ приемников прямого усиления и супергетеродинов, а также калибровки шкалы на.

Генератор качающейся промежуточной частоты. При наличии осциллографа фильтры ПЧ можно точно и быстро настроить, применяя специальный генератор, частота которого изменяется синхронно с горизонтальной разверткой луча на экране электронного осциллографа. Здесь могут быть использованы как сложные стандартные генераторы качающейся частоты промышленного производства, так и простые любительские конструкции, подобные той, которая была разработана одним из радиолюбителей из ГДР. На рис. 82, а представлена принципиальная схема этого генератора, а на рис. 82, б его рабочая характеристика, а также примерный вид изображения на экране электронного осциллографа амплитудно-частотной характеристики тракта ПЧ испытываемого приемника (рис. 82, в).

Прибор состоит из задающего автогенератора ПЧ на транзисторе Т1. частота генерации которого управляется при помощи изменения емкости р-п перехода диода Д1 и выходного эмиттерного повторителя на транзисторе Т2. Диод Д1 подключен параллельно резонансному контуру L2C5. Емкость р-п перехода диода Д1 изменяется под действием внешнего напряжения, подаваемого от генератора горизонтальной развертки осциллографа на гнездо Гн1. В результате меняется частота генерируемых колебаний. Изменение напряжения на Гн1 в пределах от 0 до —5 В приводит к изменению генерируемой частоты на 120 кГц (с 380 до 500 кГц), причем на участке, отмеченном буквами А и Б, наблюдается практически линейная зависимость частоты генерации от напряжения развертки. При подключении выхода генератора (Гн2) ко входу тракта промежуточной частоты супергетеродина, а входа канала вертикального отклонения осциллографа к выходу этого тракта на экране осциллографа будет получено изображение, подобное рис. 82, в. Подстраивая конденсаторы или сердечники соответствующих контуров, добиваются получения требуемой формы амплитудно-частотной характеристики тракта ПЧ.

При изготовлении описанного генератора можно использовать транзисторы П422, П423 или ГТ309А—ГТ309В. В качестве диода Д1 целесообразно использовать стабилитроны Д815Г, Д816Д, Д809—Д811. Индуктивность катушки L2 должна составлять 0,48 мГ, L1 — вдвое меньше. В случае применения броневых унифицированных сердечников из феррита 600НН или Ф600 катушки наматывают проводом ПЭВ-1 0,12. Они должны содержать 147 витков (L2) и 100 витков (L1).

При необходимости генератор может быть использован и без осциллографа, например, для калибровки шкалы другого прибора. В этом случае частоту генерации изменяют при помощи переменного резистора R4, регулирующего напряжение начального смещения на диоде Д1.

Генератор для налаживания трактов ВЧ, ПЧ и НЧ приемника.

На рис. 83 дана принципиальная схема простого генератора, предназначенного для налаживания трактов ВЧ приемников прямого усиления, а также трактов ПЧ и НЧ супергетеродинов. Генератор представляет собой мультивибратор на двух транзисторах Т1 и Т2, который генерирует одновременно НЧ импульсы и модулированные ими колебания на промежуточной частоте 455 кГц. Частота НЧ колебаний зависит от параметров элементов базовых цепей транзисторов (резисторов R3, R4 и конденсаторов С2, С3), а ВЧ колебаний — от данных резонансного контура L2C5. Питается генератор низким напряжением (2—3 В). В качестве источника питания можно использовать два гальванических элемента 316, 343 или 373. Выходные колебания НЧ и ВЧ (одновременно) снимаются с резистора R2 через конденсатор C1.

Транзисторы могут быть типа П422 или П423, ГТ309, ГТ322 с любыми буквенными индексами. Катушки индуктивности L1 и L2 наматывают проводом ПЭЛШО 0,12 на двухсекционном каркасе, помещаемом в унифицированном броневом сердечнике из феррита марок 400НН, 600НН, Ф600. Они содержат 10 и 100 витков соответственно. Промежуточная частота 455 кГц используется лишь в зарубежных супергетеродинах, поэтому для налаживания отечественных приемников контур L2C5 должен быть настроен на частоту 465 кГц.

При налаживании генератора подбирают сопротивления резисторов R3 и R4 до получения устойчивой генерации на высоких и низких частотах, а также настраивают контур L2C5 на требуемую частоту. Работоспособность генератора может быть проверена при помощи радиовещательного приемника, имеющего диапазон средних волн и вход звукоснимателя. Первоначально выход генератора подключают ко входу звукоснимателя и путем подбора сопротивлений резисторов R3 и R4 добиваются громкого и чистого звучания. При этом коллекторные токи обоих транзисторов должны быть равны. Частоту НЧ колебаний можно корректировать, изменяя емкости конденсаторов С2 и С3.

После окончания налаживания НЧ части генератора настраивают контур L2C5, для чего выход генератора подключают к антенному входу приемника, настроенного на вторую или третью гармонику частоты генератора ПЧ, т. е. 2X465=930 кГц или 3X465 = = 1395 кГц, соответствующие длинам волн 322 м и 215 м. При нормальной работе генератора ПЧ в приемнике должно быть слышно сильное гудение, которое достигает максимума громкости при некотором определенном положении подстроечного сердечника катушки индуктивности L2. Этот максимум и будет соответствовать точной настройке генератора на частоту 465 кГц.

Если генерация на промежуточной частоте отсутствует, то необходимо проверить правильность присоединения выводов катушек индуктивности. При намотке катушек в одну сторону начала обмоток должны быть включены так, как показано на рис. 83, где они обозначены точками.

Генератор сигналов коротковолновика-наблюдателя. К приемникам, которыми пользуются радиолюбители коротковолновики-наблюдатели, предъявляются высокие требования по точности и стабильности разметки шкалы настройки. Поэтому необходимо периодически контролировать и корректировать разметку шкалы при помощи специальных генераторов стандартных сигналов, например генератора, собранного по принципиальной схеме, представленной на рис. 84. Этот генератор выполнен всего на двух транзисторах и генерирует сетки модулированных частот, кратных 1 МГц или 100 кГц. С первой сетки на вторую переходят, пользуясь переключателем В1. На транзисторе Т1 в приборе собран автогенератор, частота которого в зависимости от диапазона стабилизирована кварцами ПЭ1 на частоте 1 МГц или ПЭ2 на частоте 100 кГц. Колебаний автогенератора модулируются по амплитуде при помощи генератора НЧ, собранного на транзисторе Т2. Выходное высокочастотное амплитудно-модулированное напряжение снимается с коллектора транзистора Т1 и через разделительный конденсатор C7 подается на гнездо Гн1 «Выход». К этому гнезду присоединена небольшая антенна в виде металлического штыря длиной около 40 см. Прибор с антенной размещают вблизи антенного входа контролируемого приемника. При этом излучаемой им мощности оказывается достаточно для уверенного приема его сигналов на всех диапазонах коротких волн.

Когда переключатель В1 прибора находится в положении «1 МГц», можно контролировать точность разметки шкалы приемника на частотах, кратных целому числу мегагерц: 7,0 МГц, 14,0 МГц и т. д. В положении переключателя В1 «0,1 МГц» можно проверять точность разметки шкалы через каждую десятую долю мегагерца, например 14,1; 14,2; 14,3 МГц и т. д.

Для изготовления такого генератора в американском журнале, поместившем описание этой конструкции, рекомендуется использовать стандартные кварцевые резонаторы, постоянные резисторы мощностью 0,5 Вт, керамические и пленочные конденсаторы, кремниевые транзисторы, германиевый диод и батарею питания от карманного приемника. Индуктивность катушки L1 должна быть такой чтобы ее можно было регулировать подстроенным сердечником в пределах 60—140 мкГ, L2 — 810—860 мкГ. Корпус прибора делают из металла. Это необходимо для устранения неконтролируемого излучения прибора и предохранения его от внешних воздействий.

При налаживании генератора подбирают такое сопротивление резистора R1, при котором устанавливается устойчивая генерация на обоих диапазонах, и такое сопротивление резистора R3, при котором форма НЧ колебаний будет наилучшей. Диапазон перекрываемых частот регулируют, подстраивая сердечники катушек индуктивности. От их положения зависит также форма генерируемых ВЧ колебаний, определяющая число гармоник основной частоты.

В приборе можно применить отечественные транзисторы КТ312 пли КТ315 с любыми буквенными индексами, диод Д1 типа Д18 нли Д20, Д9В, трансформатор Тр1 от любого карманного приемника или из набора деталей для сборки такого приемника. Конденсаторы С4 и С6 должны быть бумажными, типа МБМ на напряжение 160 В, все остальные керамические КТ-1а и КЛС-Е. Источником питания может служить батарея «Крона-ВЦ».