Типы генераторов сигнала.
Если мы говорим о приборах для измерения параметров электронного оборудования, то первое, что приходит в голову, это, как правило,
осциллограф или логический анализатор. Однако эти приборы способны выполнять измерения лишь в том случае, если на них поступает
сигнал.
И можно привести множество примеров, когда он отсутствует, пока на исследуемое устройство не будет подан внешний сигнал от генератора.
Понимание особенностей различных типов генераторов и их возможностей очень важно для исследователей, инженеров и техников. Выбор
правильного инструмента облегчает работу и позволяет быстро получить достоверные результаты.
Генератор генерирует сигналы разных форм и может представлять собой синусоиду или другую периодическую функцию: цифровой импульс,
двоичную последовательность или полностью произвольную форму.
Генераторы периодических сигналов.
Синусоидальные сигналы называют еще гармоническими, потому что они описываются математическим выражением:
U=Asin2πft,
где А - амплитуда сигнала (наибольшая величина относительно "0");
f - частота сигнала (в циклах в секунду или в герцах);
t — время.
Форма синусоидального сигнала показана на рис.1а. В данном случае синусоида начинается в момент времени, равный "0", в таком
случае говорят, что начальная фаза сигнала φ=0; если же он начинается не с нуля, а с какой-то амплитуды, то он такой, как на рис.1б.
Сигнал математически описывается формулой:
U=Asin(2πft+φ),
где φ - начальная фаза.
Если мы воспользуемся понятием угловая (круговая) частота (ω), то выражение значительно упростится. Если считать, что 2πf=ω, тогда формула
примет вид:
U=Asinφ.
Синусоидальные генераторы обеспечивают на выходе регулируемые с большой точностью напряжения строго синусоидальной
формы в довольно широком частотном диапазоне (как правило, от 20 Гц до 50 МГц, от 50 кГц до 300 МГц). Регулировка напряжений на выходе
осуществляется специальным делителем, иногда называемым аттенюатором. Чаще всего предусмотрена возможность модуляции выходного
сигнала напряжением низкой частоты. Для схем, свойства которых зависят от частоты (например, резонансные схемы ипи фильтры), очень
полезно применять генераторы, могyщие периодически производить развертку выходной частоты в некотором диапазоне.
В настоящее время большинство генераторов выпускают с возможностью программировать изменения выходных напряжений по амплитуде,
частоте
и фазе с помощью вычислительной машины (компьютера) или другого цифрового устройства.
Еще более полезными являются генераторы, синусоидальная частота на выходе которых задается с большой точностью (до восьми и
более знаков) с помощью точного эталона кварцевого генератора. Такие генераторы называют синтезатороми частоты.
Синусоидальный сигнал - это наиболее "организованный" сигнал, чаще всего они бывают самой различной формы.
Линейно-меняющийся сигнал - это напряжение, возрастающее (или убывающее) с постоянной скоростью. Это
напряжение, конечно же, не может расти бесконечно.
На рис.2а показан линейно меняющийся, а на рис.2б - ограниченный линейно-меняющийся сигнал.
Треугольный сигнал приходится "ближайшим родственником" линейно-меняющемуся. Отличие состоит в том, что график треугольного
сигнала является симметричным. На рис.3а изображен пилообразный сигнал, а на рис.3б - треугольный.
Шумоподобные сигналы.
А вот сигналы, о которых пойдет речь дальше, очень часто путают с тепловыми случайными шумами. Однако шумовые
напряжения имеют подчиняюшиеся строгим математическим законам распределения амплитуд и частотный спектр (произведением мощности на
частоту в герцах).
Существует понятие - белый шум, это один из наиболее распространенных типов шумовых сигналов. Шумовой сигнал такого типа генерирует
резистор (шум Джонсона), он создает неприятности при любых измерениях, где требуется высокая чувствительность. На рис.4 показано, как он
выглядит на экране осциллографа.
Прямоугольные сигналы - очень своеобразные, которые иногда называют "меандр". Он, как и синусоидальный,
обладают амплитудой и частотной характеристикой.
Если его подать на вход схемы, то на выходе вряд ли он будет прямоугольной формы. Для
прямоугольного сигнала эффективное значение ровно амплитуде и его реальная форма отличается от идеального прямоугольника.
Обычно в электронной схеме время нарастания сигнала, в течение которого он нарастает от 10 до 90% своей максимальной амплитуды,
составляет от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд (рис.5).
Генераторы импульсов.
Генераторы всего лишь формируют импульсы, но с какой точностью они это делают! В них предусмотрено регулировка не только амплитуды,
длительности и частоты повторения импульсов, но и времени нарастания.
Они могут их генерировать с заданными интервалами, а также
кодовые последовательности импульсов. Кроме того, в большинстве из них предусмотрено сопряжение их с внешними задающими цифровыми
устройствами и программаторами.
Импульсы - это сигналы (рис.6) которые характеризуются амплитудой и длительностью. Если генерировать
периодическую
последовательность импульсов, то можно говорить о частоте, скорости повторения импульса и о "рабочем цикле", равном отношению
длительности импульса к периоду повторения (рабочий цикл лежит в пределах от 0 до 100%).
Импульсы могут иметь положительную или отрицательную полярность (пьедестал), могут быть нарастающими или спадающими. Например,
второй импульс на рис.6а является убывающим положительной полярности (или спадающим импульсом с положительным пьедесталом). Сигналы
в виде скачков и пиков упоминаются часто, но широкого применения не находят.
Скачок (рис.7а) - это часть прямоугольного сигнала, а пик (рис.7б) - это два скачка, следующие с очень коротким интервалом.
Логические уровни.
Прямоугольные сигналы и импульсы - это прерогатива в основном цифровой электроники. В цифровых схемах потенциал
любой точки схемы в любой момент времени определяют заранее известные уровни напряжения: высокий и низкий. Они соответствуют значениям
"0" или "1" (ложь или правда) булевой алгебры логики, в которой переменные принимают эти значения.
В цифровой электронике точные значения напряжений не важны, главное - различить уровни напряжений. Поэтoму для каждого семейство
цифровых логических элементов определены предельно допустимые уровни высокого и низкого напряжений. Чаще всего это уровни +5 В - "1"
логическая и 0 В - логический "0" (в идеальном случае), а реально порог срабатывания лежит в пределах 2,5 В для исключения ложнoго
срабатывания.
Генераторы функций (специальных сигналов).
Эти генераторы во многих отношениях наиболее гибкие из всех источников сигналов. Они соединяют в себе возможности почти всех
генераторов,
могут формировать синусоидальные, треугольные, прямоугольные сигналы в очень широком диапазоне.
В них предусмотрена
возможность регулировки амплитyды и смещения по постоянному току (постоянное напряжение, добавляемое к сигналу). Многие генераторы
функций обладают возможнoстями генераторов качающейся частоты (свип-генераторы), причем в нескольких режимах. Что понимается под этими
несколькими режимами? Прежде всего можно изменять генерируемую сигнальную частоту или по линейному или по логарифмическому закону,
что очень важно при очень широком диапазоне генерируемых сигналов. Кроме того, они моryг включать в себя и программаторы и возможность
считывания частоты (а иногда и амплитуды) в цифрoвом виде.
Наиболее предпочтительны генераторы-синтезаторы функций,которые сочетают в себе возможности как генераторов, так и синтезаторов, т.е.
высокую точность и широкие возможности. Генератор может работать как триггер: логическая схема, формировать всплески, производить
амплитудную, частотную и импульсную модуляцию, формировать частоту, управляемую напряжением, и одиночные сигналы. Одним словом, если
вам нужен прибор на все случаи жизни, то для этого подойдет генератор функций.
А.Ф.Бубнов
Радиоаматор 2000/02
| << Предыдущая | Cледующая >> |