Для чего генератор сигналов
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.
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:
Генератор сигналов
Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра)
Содержание
Генераторы электрических колебаний
Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица
Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.
Генераторы гармонических колебаний
Генератор (производитель) гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором (подавителем, активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.
Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.
Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются:
1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°,
2. петлевое усиление >1,
3. рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений.
Необходимость третьего условия.
Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, так как рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений — неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор.
В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.
История
В 1887 году Генрих Герц на основе катушки Румкорфа изобрёл и построил искровой генератор электромагнитных волн.
В 1913 году Александр Мейснер (Германия) изобрёл электронный генератор Мейснера на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром в выходной (анодной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку. [4]
В 1914 году Эдвин Армстронг (США) запатентовал электронный генератор на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром во входной (сеточной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку.
В 1915 году американский инженер из Western Electric Company Ральф Хартли, разработал ламповую схему известную как генератор Хартли, известную также как индуктивная трёхточечная схема («индуктивная трёхточка»). В отличие от схемы А. Мейсснера, в ней использовано автотрансформаторное включение контура. Рабочая частота такого генератора обычно выше резонансной частоты контура.
В 1919 году Эдвин Колпитц изобрёл генератор Колпитца на электронной лампе с подключением к колебательному контуру через ёмкостной делитель напряжения, часто называемый «ёмкостная трёхточка».
В 1932 году американец Гарри Найквист разработал теорию устойчивости усилителей, которая также применима и для описания устойчивости генераторов. (Критерий устойчивости Найквиста-Михайлова).
Позже было изобретено множество других электронных генераторов.
Устойчивость генераторов
Устойчивость генераторов складывается из двух составляющих: устойчивость усилительного каскада по постоянному току и устойчивость генератора по переменному току.
Фазовый анализ генератора Мейснера
Генераторы «индуктивная трёхточка» и «ёмкостная трёхточка» могут быть построены как на инвертирующих каскадах (с общим катодом, с общим эмиттером), так и на неинвертирующих каскадах (с общей сеткой, с общим анодом, с общей базой, с общим коллектором).
Каскад с общим катодом (с общим эмиттером) сдвигает фазу входного сигнала на 180°. Трансформатор, при согласном включении обмоток, сдвигает фазу ещё на приблизительно 180°. Суммарный петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 360°. Запас устойчивости по фазе максимален и равен почти ± 90°. Таким образом генератор Мейснера относится, с точки зрения теории автоматического управления (ТАУ), к почти идеальным генераторам. В транзисторной технике каскаду с общим катодом соответствует каскад с общим эмиттером.
Фазовый анализ LC-генератора с СR положительной обратной связью
LC-генераторы на каскаде с общей базой наиболее высокочастотны, применяются в селекторах каналов почти всех телевизоров, в гетеродинах УКВ приёмников. Для гальванической развязки в цепи положительной обратной связи с коллектора на эмиттер стоит CR-цепочка, которая сдвигает фазу на 60°. Генератор работает, но не на частоте свободных колебаний контура, а на частоте вынужденных колебаний, из-за этого генератор излучает две частоты: большую — на частоте вынужденных колебаний и меньшую на частоте свободных колебаний контура. При первой итерации две частоты образуют четыре: две исходные и две суммарноразностные. При второй итерации четыре частоты производят ещё большее число суммарноразностных частот. В результате, при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приёмниках смешивается с входным сигналом и образует ещё большее число суммарноразностных частот. Затем всё это подаётся в блок обработки сигнала. Кроме этого, запас устойчивости работы по фазе этого генератора составляет +30°. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом применяют частичное включение контура через ёмкостной делитель, но при этом происходит дополнительный перекос фазы. При одинаковых ёмкостях дополнительный перекос фазы составляет 45°. Суммарный петлевой сдвиг фазы 60°+45°=105° оказывается больше 90° и устройство попадает из области генераторов в область дискриминаторов, генерация срывается. При оптимально рассчитанном емкостном делителе запас устойчивости по фазе составляет менее 30°.
Генератор Мейснера на каскаде с общей базой, с частичным включением контура без перекоса фазы.
Если в «ёмкостной трёхточке» на каскаде с общей базой в цепи положительной обратной связи вместо CR-цепочки включить трансформатор со встречным включением обмоток, то петлевой сдвиг фазы составит около 360°. Генератор станет почти идеальным. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом и не внести дополнительного перекоса фазы, нужно применить частичное включение контура без дополнительного перекоса фазы через два симметричных отвода от катушки индуктивности. Такой генератор излучает одну частоту и имеет наибольший запас устойчивости по фазе (± 90°).
Применение
Далеко не полный список устройств, в которых применяются генераторы сигналов:
Генератор сигналов — определение механизма и принцип работы.
Преимущественно первые представляют собой преобразователи постоянного тока в переменный ток. Генераторы малой мощности обычно строят на однотактных усилительных каскадах, тогда как более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных или так называемых полумостовых усилительных каскадах с большим КПД. Производитель же гармонических колебаний является собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором или активным фильтром. Подобный механизм генератора может быть однокаскадным и многокаскадным.
Область применения генератора сигналов.
Где применяют генераторы сигналов? Конечно же, в самой современной и крутой лаборатории разработчика электронных устройств и измерительных приборов. В зависимости от назначения, лаборатории различают по уровням: начального, среднего и высшего (так называемый Hi-Fi). Кроме всего прочего, основные области применения подобных генераторов таковы:
Можно еще привести такие интересные примеры применения различных генераторов сигналов:
Перечень приборов и устройств, совместимых с генератором сигналов.
Краткий список устройств, в которых применяются генераторы сигналов, состоит таким образом: радиоприемники (гетеродин в супергетеродинных радиоприёмниках), телевизоры, мобильные телефоны, приёмопередатчики, аппаратура передачи данных и электрокардиографы, томографы, электронные тонометры, аппараты для УЗИ, эхолоты, физиотерапевтические приборы, эхолоты, программируемые стиральные машины, СВЧ-печи, посудомоечные машины.
Генераторы сигналов: описание и различия
Назначение генераторов сигналов
Использование генераторов сигналов, как правило, чаще всего производится благодаря возможности их преобразования определенного типа сигнала в другой, желаемый вид. Например, светового – в электрический, электрического – в звуковой, механического – в магнитоэлектрический и т.п. В некоторых случаях генератор сигналов может использоваться в качестве измерительного прибора.
Диапазон измерений для генераторов сигнала представлен очень широким спектром, поскольку в зависимости от конкретного вида этого устройства и его конструктивных особенностей.
Продажа генератор сигналов
Погрешности приборов также зависят во многом от измеряемого диапазона (чем он шире – тем больше погрешность) и от условий эксплуатации. Например, для преобразователей оптических сигналов в другие виды очень важно обеспечить отличную видимость и отсутствие в области действия преобразователя посторонних затеняющих или излучающих в том же световом диапазоне источников.
Область применения генераторов сигналов
Применяются преобразователи сигнала в довольно широком спектре сфер человеческой жизнедеятельности. К примеру, в рамках бытовой техники генераторы сигналов используются в посудомоечных машинах, СВЧ-печах, стиральных машинах и другой программируемой технике. Как отдельный тип генераторов сигналов выделяются эхолоты, которые могут применяться от обычной рыбалки, заканчивая военными потребностями, и значительно отличаются по стоимости качеству используемых материалов и конструкции самого оборудования. Для медицинской сферы генераторы сигналов являются составляющими элементами такого оборудования, как физиотерапевтических приборов, ультразвуковой диагностики аппаратов, электронных тонометров и термометров, рентгенографов, томографов, электрокардиографов и другого оборудования. В сфере обеспечения связи генераторы сигналов нашли применение в составе аппаратуры передачи данных, приемопередатчиках, мобильных телефонах, телевизионных приемниках, радиоприемниках и т.п. В качестве измерительных приборов генераторы сигналов широко распространены в метрах, измерительных вольтметрах, осциллографах и т.д.
Технические характеристики генераторов сигналов
Строение любого из генераторов сигнала, не зависимо от его диапазона действия и типа преобразования, используются формирователь сигнала (может быть представлен электрическим фильтром) и источника (устройство, которое подвергается самовозбуждению в результате, например, электромагнитного воздействия).
Принцип действия генераторов сигнала
Существует два типа генераторов: цифровые и аналоговые. В аналоговых вариантах синтезирование сигнала производится при помощи классических электронных схем. Цифровой вариант приборов работает на основе методики прямого синтеза (DDS). В этом случае формирование выходных сигналов осуществляется благодаря генерации временной последовательности отчетов цифрового типа и их преобразования в аналоговые формы с помощью ЦАП.
Преимущества DDS генераторов
В большинстве приборов используется цифровой синтез, что обеспечивает сетку частот с произвольным шагом и почти моментальное переключение частоты, диапазон при этом ограничивается только сверху. Синтезатор DDS, благодаря которому работает генератор сигналов, гарантирует стабильность спектра. Немаловажное значение имеет быстрота и точность регуляции параметров прибора. Частота и амплитуда оборудования регулируется в реальном времени без температурного дрейфа. Еще одно преимущество устройства состоит в том, что цифровой генератор сигналов позволяет применять нагрузки, импеданс которых изменяется по произвольным законам.
Выделяют следующие категории приборов по форме выходного сигнала:
Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица
По частотному диапазону:
По принципу работы:
Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.
Мир Приборов предлагает широкий выбор генераторов сигналов
Интернет-магазин контрольно-измерительных приборов и освещения » Мир приборов «
Ознакомьтесь с нашим ассортиментом в каталоге
Решения для жизни и работы!
Представленная информация на сайте носит справочный характер и не является публичной офертой.
Технические параметры (спецификация) и комплект поставки товара могут быть изменены производителем без предварительного уведомления.
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