Poznajemy przyrządy pomiarowe, cz. 4 [generatory].pdf

Miernictwo

POZNAJEMY PRZYRZĄDY

POMIAROWE

W poprzednich odcinkach tego cyklu omówiliś−

my multimetry cyfrowe i częstościomierze. W ni−

niejszym artykule chcielibyśmy zaznajomić Czytel−

ników ze źródłami sygnałów.

Źródła sygnałów czyli generatory dzieli się

w zależności od zakresu częstotliwości sygnałów

przez nie wytwarzanych na generatory małej

i wielkiej częstotliwości (tzw. generatory sygnało−

we). Wśród generatorów m.cz. wyróżnia się gene−

ratory wytwarzające sygnały o częstotliwościach

akustycznych (audio) oraz generatory funkcyjne.

Zakres częstotliwości, kształt oraz amplituda syg−

nałów wytwarzanych przez generator ma ścisły

związek z ich wykorzystaniem. Generatory m.cz.

znajdują zastosowanie przy konstrukcji i serwisie

sprzętu audio, generatory funkcyjne są bodaj

najbardziej uniwersalne − służą zarówno do

badania układów analogowych jak i cyfrowych,

generatory sygnałowe są pomocne przy testowaniu

i serwisie urządzeń radiofonicznych.

Zasada działania generatora

Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony sche−

mat blokowy typowego generatora. W generatorze,

podobnie jak w każdym wzmacniaczu elektronicz−

nym, część energii z wyjścia jest przekazywana

do wejścia. Jest to tzw. sprzężenie zwrotne, które

m.in. jest stosowane we wzmacniaczach dla

poprawy ich parametrów. Jednak w pewnych sytu−

acjach, wzmacniacz staje się niestabilny i prze−

kształca się w źródło drgań czyli generator. Wy−

tworzenie, a następnie podtrzymanie drgań

o określonej częstotliwości f o , wymaga spełnienia

specjalnych warunków, tj. właściwej fazy oraz am−

plitudy sygnału doprowadzanego z wyjścia na we−

jście. Warunek generacji drgań formułuje się zwyk−

le za pomocą prostego wzoru:

k u ß = 1

w którym:

k u − wzmocnienie napięciowe wzmacniacza, ß −

współczynnik sprzężenia zwrotnego generatora.

Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza jest

stosunkiem napięcia na wyjściu do napięcia na je−

go wyjściu, zaś współczynnik sprzężenia zwrotne−

go określa jaka część energii z wyjścia jest przeno−

szona do jego wejścia. W skrócie można powie−

dzieć, że do wytworzenia drgań o określonej częs−

totliwości f o , po pierwsze całkowite przesunięcie

fazowe wprowadzane przez wzmacniacz oraz

układ sprzężenia zwrotnego musi być równy zero,

a po drugie, wzmocnienie wzmacniacza musi być

wystarczające do skompensowania strat spowodo−

wanych przez ten układ. W praktyce iloczyn k u

ß jest nieco większy od jedności, zwykle o ok. 5%.

Pozwala to uniezależnić pracę generatora od przy−

padkowych czynników, związanych ze zmianą pa−

rametrów wzmacniacza oraz układu sprzężenia

zwrotnego, mogących spowodować zanik drgań

lub zmianę wartości wytwarzanej częstotliwości.

CZĘŚĆ 4

Generatory

Rys. 2. Współczesny, stacjonarny generator typu audio

Generatory małej częstotliwości

typu audio

Generatory małej częstotliwości typu audio są

wykorzystywane do prac projektowych oraz przy

produkcji i serwisie sprzętu audio. Generatory te

wytwarzają sygnał o kształcie sinusoidalnym.

Wiadomo, że zakres fal akustycznych jakie jest

w stanie usłyszeć człowiek obejmuje przedział nie

większy niż 20Hz do 20kHz. Dlatego też wszystkie

urządzenia odtwarzające i nagrywające dźwięk

wykorzystują sygnały o częstotliwościach z tego

zakresu. Mimo to współczesne generatory audio

( rys. 2 ) wytwarzają sygnały należące do znacznie

szerszego zakresu, typowo od pojedynczych her−

ców do 1MHz i wyżej. Również kształt sygnałów

przez nie wytwarzanych jest nie tylko sinusoidalny

lecz także prostokątny.

Jak już wspomniano, bardzo ważną rolę w gene−

racji drgań odgrywa układ sprzężenia zwrotnego.

Zwykle jest to obwód złożony z elementów RLC.

W zależności od typu obwodu rozróżnia się gene−

ratory LC, w których wytwarzana częstotliwość za−

leży od częstotliwości rezonansowej obwodu zło−

Rys. 1. Schemat blokowy generatora.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/96

Miernictwo

częstotliwości sygnału doprowadzonego z ze−

wnątrz.

Bardzo ważnym parametrem charakteryzującym

generator są zniekształcenia wytwarzanego sygna−

łu sinusoidalnego. W omawianym urządzeniu są

one na poziomie 0,5% w pasmie częstotliwości od

50Hz do 500kHz. W praktyce spotyka się genera−

tory o zniekształceniach nawet rzędu 0,001%.

W konstrukcji generatorów trwa nieustający po−

stęp prowadzący nie tylko do uzyskania coraz lep−

szych,parametrów lecz również coraz większej ich

miniaturyzacji. Nieskomplikowane generatory, wy−

twarzające sygnał prostokątny o kilku częstotliwoś−

ciach, można obecnie spotkać nawet w niedrogich

multimetrach cyfrowych. Stało się to w wyniku op−

racowania specjalizowanych układów scalonych.

Układy takie znalazły zastosowanie w konstrukcji

jeszcze innego typu generatorów małej częstotli−

wości, w generatorach funkcyjnych.

Generatory funkcyjne

Generatory funkcyjne, będące odmianą genera−

torów małej częstotliwości, należą, ze względu na

swoją uniwersalność, do najczęściej wykorzysty−

wanych generatorów. Wytwarzają one sygnały

o różnym kształcie oraz regulowanej częstotliwoś−

ci i amplitudzie. Podstawowym elementem typo−

wego generatora funkcyjnego ( rys. 4 ) jest wewnę−

trzny generator sterowany napięciem, wytwarzają−

cy sygnał o kształcie prostokątnym. Częstotliwość

tego sygnału zmienia się w funkcji napięcia dopro−

wadzanego do generatora. Sygnał z jego wyjścia

jest doprowadzany bezpośrednio do wyjścia gene−

ratora funkcyjnego. Sygnał o kształcie trójkątnym

jest wytwarzany z sygnału prostokątnego w ukła−

dzie całkującym. Poddanie go dalszej obróbce

w układzie kształtującym umożliwia uzyskanie

sygnału o kształcie sinusoidy. Jak widać do wytwo−

rzenia sygnału sinusoidalnego potrzeba najwięcej

stopni przetwarzających sygnał. Dlatego też znie−

kształcenia takiego sygnału w porównaniu z typo−

wym generatorem akustycznym są stosunkowo du−

że i wynoszą w przypadku tanich konstrukcji około

1% . Wewnętrzny generator, sterowany napięciem

oraz układ całkujący współdziałają ze sobą. Znaj−

duje to swój wyraz przy wyborze zakresu wytwa−

rzanych częstotliwości. Dokonuje się tego bowiem

przez zmianę wartości kondensatora w układzie

całkującym. Jak już wspomniano, generatory funk−

cyjne wytwarzają zwykle trzy rodzaje sygnałów

o różnym kształcie, tj. o kształcie prostokąta, trój−

kąta i sinusoidy. Nieco droższe modele takich ge−

neratorów umożliwiają ponadto otrzymanie sygna−

łu piłokształtnego oraz różnych przebiegów impul−

sowych.

Rys. 3. Rodzaje sprzężenia zwrotnego

w generatorach:

a) Mostek Wiena

b) Przesuwnik fazowy

c) Obwód typu T

żonego z kondensatora i cewki; generatory RC,

w których obwód ten jest złożony z rezystorów

i kondensatorów oraz generatory dudnieniowe,

w których sygnał o danej częstotliwości jest otrzy−

mywany w wyniku zmieszania dwóch sygnałów

o różnych częstotliwościach. Tak są zbudowane

generatory wytwarzające sygnał o jednej ustalonej

częstotliwości. Generatory małej częstotliwości,

w których zadaniem jest wytwarzanie sygnałów

o różnych częstotliwościach są bardziej skompli−

kowane. W takich urządzeniach są stosowane trzy

rodzaje obwodów sprzężenia zwrotnego ( rys. 3 ),

złożonych jedynie z rezystancji i pojemności: mos−

tek Wiena, przesuwnik fazowy i obwód typu T.

Do najczęściej stosowanych należy generator

z mostkiem Wiena (rys. 3a). Regulację częstotli−

wości sygnału wyjściowego w takim generatorze

można uzyskać przez ciągłą lub skokową zmianę

pojemności obu kondensatorów C1, C2 lub rezys−

tancji obu rezystorów R1, R2.

Generator z przesuwnikiem fazowym (rys. 3b)

znajduje zastosowanie przy mniejszych częstotli−

wościach. Wzmacniacz generatora przesuwa fazę

o 180 o . 0 taką samą wartość przesuwa fazę obwód

sprzężenia zwrotnego. Obwód ten składa się przy−

najmniej z trzech sekcji złożonych z rezystora

i kondensatora. W takim przypadku każda z sekcji

przesuwa fazę o 60 o . Regulację częstotliwości syg−

nału generatora z przesuwnikiem fazowym realizu−

je się przez jednoczesne zmiany wszystkich ele−

mentów przesuwnika.

Generator z obwodem sprzężenia zwrotnego ty−

pu T przedstawiono na rys. 3c. Często stosuje się

dwa tego typu obwody − tzw. podwójne T.

Generator przedstawiony na rys. 2 to niedrogi;

typowy, stacjonarny generator m. cz., wytwarzają−

cy sygnał zarówno o kształcie sinusoidalnym jak

i prostokątnym. Umożliwia on regulację częstotli−

wości w zakresie od 10Hz do 1MHz, w sposób

skokowy, w pięciu zachodzących na siebie zakre−

sach (dekadach). Amplitudę napięcia wyjściowego

otrzymywanego z generatora reguluje się płynnie

pokrętłem w zakresie od 0 do 23V P − P . Ustawioną

częstotliwość można jednocześnie odczytać na

wyświetlaczu (o długości czterech cyfr) połączo−

nym z wewnętrznym częstościomierzem. Częstoś−

ciomierz ten może również służyć do pomiaru

Rys. 4. Schemat blokowy generatora funkcyj−

nego.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/96

Miernictwo

Na rysunku 5 przedstawiono widok płyty czoło−

wej typowego generatora funkcyjnego. Przyciski (3)

służą do wybory kształtu przebiegu jaki może poja−

wić się na wyjściu (7). Zakres częstotliwości, do

którego ma należeć ten przebieg można wybrać za

pomocą przełącznika (2). Do dokładnego ustawie−

nia potrzebnej częstotliwości służy natomiast pok−

rętło (8). Grupa trzech pokręteł (9), (10) i (11) jest

przeznaczona do ustawienia odpowiednio ampli−

tudy, offsetu i symetrii sygnału. Regulacja offsetu

polega na dodaniu do przebiegu zmiennego tzw.

składowej stałej czyli przebiegu o napięciu stałym,

regulowanym np. w granicach od −10V do + 10V.

Za pomocą pokrętła regulacji symetrii możemy

zmieniać względną szerokość impulsu czyli tzw.

współczynnik wypełnienia impulsu np. w zakresie

od 1:10 do 10:1. Współczynnik ten, wyrażony

w procentach, jest równy stosunkowi czasu trwania

impulsu do czasu dzielącego początki i końce ko−

lejnych impulsów przebiegu. Zmieniając współ−

czynnik wypełnienia przebiegu trójkątnego można

uzyskać przebieg w przybliżeniu piłokształtny

a z przebiegu prostokątnego przebieg impulsowy.

Ważną funkcję spełniają dwa dalsze pokrętła

(12) i (13) oznaczone sweep (przemiatanie). Prze−

miatanie częstotliwości polega na płynnej zmianie

częstotliwości w ustalonym zakresie częstotliwości

z wybraną prędkością przemiatania. Pierwsze po−

krętło służy do regulacji szerokości pasma przemia−

tania sweep width, a drugie − ustawiania prędkości

przemiatania sweep rate, czyli również czasu prze−

miatania np. od 20ms do 2s. Dodatkowo można

wybrać jeden z dwóch typów przemiatania liniowy

lub logarytmiczny. Przemiatanie liniowe ma miejs−

ce wtedy, gdy częstotliwość zmienia się (rośnie lub

maleje) proporcjonalnie do czasu. Przemiatanie lo−

garytmiczne polega na zmianie częstotliwości

zgodnie z funkcją logarytmiczną. Do realizacji tej

funkcji generatora wykorzystuje się oddzielny ge−

nerator wewnętrzny sterowany napięciem.

Częstotliwość wytwarzanego sygnału jest wy−

świetlana na wyświetlaczu cyfrowym, zwykle typu

LED (14). W zasadzie każdy współczesny generator

ma wewnętrzny częstościomierz. Służy on nie tyl−

ko do pomiaru częstotliwości sygnału wytwarzane−

go przez generator, lecz także do pomiaru częstot−

liwości sygnału doprowadzonego z zewnątrz.

Gniazdo do dołączenia takiego sygnału jest bardzo

często umieszczane z tyłu generatora. Przełącznik

zmiany zakresu częstotliwości (2) służy w takim

przypadku także do ustawienia czasu bramkowa−

nia. Maksymalna, mierzona częstotliwość sygnału

doprowadzonego z zewnątrz jest zazwyczaj dużo

większa niż maksymalna częstotliwość sygnału wy−

twarzanego przez generator. Na przykład generator

funkcyjny o maksymalnej częstotliwości wytwarza−

nego przebiegu 3MHz, może mieć częstościomierz

mierzący częstotliwość sygnałów aż do 200MHz,

przy jednocześnie automatycznej zmianie zakresu.

Częstotliwość sygnału otrzymywanego na wy−

jściu generatora można zmieniać nie tylko za po−

mocą ww. przełącznika (2) i pokrętła (8), lecz także

można ją regulować napięciem doprowadzonym

z zewnątrz. Służy do tego celu specjalne gniazdo

(5) oznaczane zwykle symbolem VCF IN. Na za−

kończenie omawiania wyglądu płyty czołowej ty−

powego generatora funkcyjnego parę słów o jego

Rys. 5. Widok płyty czołowej typowego generatora funkcyjnego.

gniazdach wyjściowych. Gniazdo oznaczone sym−

bolem 50/600 W służy do uzyskiwania sygnałów

o różnym kształcie i amplitudzie. Impedancję wy−

jściową generatora równą 50 W lub 600 W (przydat−

ną do pomiarów akustycznych) można wybrać

przyciskiem (4). Drugie gniazdo jest przeznaczone

do sterowania układami cyfrowymi typu TTL. Stan

wysoki np. bramek TTL wynosi w przybliżeniu

3,6V, a stan niski ok. 0,2V. W takim zakresie powi−

nien zmieniać się sygnał pojawiający się na tym

gnieździe.

Do podstawowych parametrów jakie powinny

charakteryzować sygnały wytwarzane przez gene−

ratory funkcyjne należy w przypadku sygnału pros−

tokątnego i typu TTL czas narastania i opadania im−

pulsu. Aby kształt sygnału był jak najbardziej zbli−

żony do kształtu prostokąta, czas narastania i opa−

dania powinien być jak najmniejszy. W typowym,

niedrogim generatorze funkcyjnym jest on rzędu

20ns (sygnał TTL, częstotliwość 1kHz) lub np.

100ns (sygnał prostokątny, częstotliwość 1kHz).

W przypadku sygnału o kształcie trójkątnym ważna

jest liniowość wynosząca zwykle kilka procent.

W przypadku przebiegu sinusoidalnego są istotne

zniekształcenia (ok. 1% przy częstotliwości

100kHz), czyli obecność tzw. harmonicznych, po−

dawanych w decybelach dla pewnego pasma częs−

totliwości (np. poniżej 25dB w pasmie od 100kHz

do 500kHz).

Punktem zwrotnym w rozwoju generatorów fun−

kcyjnych było opracowanie i wypuszczenie na ry−

nek specjalizowanych układów scalonych realizu−

jących ich funkcje. Umożliwiły one konstrukcję ta−

nich generatorów funkcyjnych o parametrach spo−

tykanych dotąd w drogich urządzeniach profesjo−

nalnych. Do najczęściej spotykanych układów sca−

lonych tego typu należą ICL8038 produkowany

przez firmę Intersil ( rys. 6 ) oraz XR2206 produkcji

firmy Exar. Przy odpowiednim doborze elementów

zewnętrznych, tj. kilku kondensatorów, układy te

mogą wytwarzać sygnały sinusoidalne, prostokątne

(w tym TTL) i trójkątne o częstotliwościach miesz−

czących się w zakresie od 0,001Hz do 0,3MHz.

Umożliwiają one też realizację (odpowiednie wy−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/96

Miernictwo

prowadzenia) regulacji

współczynnika wypełnie−

nia i przemiatania częs−

totliwości, charakteryzują

się małymi zniekształce−

niami wytwarzanego syg−

nału (np. 1% dla sygnału

sinusoidalnego) oraz dużą

jego liniowością (np. ok.

0,1% dla sygnału trójkąt−

nego). Pojawienie się mik−

roprocesorów umożliwiło

z kolei konstrukcję zupeł−

nie nowej generacji gene−

ratorów funkcyjnych.

W tańszych konstruk−

cjach rola mikroprocesora

ogranicza się do ułatwie−

nia obsługi generatora

( rys. 7 ). Do ustawiania

częstotliwości czy ampli−

tudy wytwarzanego syg−

nału stosuje się odpowiednie przyciski, a nie jak

dotąd pokrętła. Dodatkowo obsługę ułatwia spe−

cjalne menu pojawiające się na specjalnym, dwu−

rzędowym wyświetlaczu graficznym (np. typu dot

matrix). Na wyświetlaczu tym są wyświetlane różne

komunikaty informujące użytkownika o stanie

urządzenia, tzn. o wybranych nastawach (częstotli−

wość, amplituda, kształt sygnału) a także komuni−

katy ostrzegawcze informujące o wystąpieniu np.

błędu obsługi.

Rys. 6. Schemat blokowy układu scalonego ICL8038.

urządzenia. W ten sposób można uzyskać sygnał

o dowolnym kształcie i częstotliwości, o ile został

on wcześniej (tj. w fabryce) zapisany w pamięci

ROM.

Generatory funkcyjne wykorzystujące do wy−

tworzenia sygnału wyjściowego technikę syntezy

częstotliwości, charakteryzują się bardzo wysoką

dokładnością wytwarzanej częstotliwości − rzędu

50 ppm, dużą stabilnością amplitudy sygnału oraz

różnymi funkcjami przemiatania sygnału, możli−

wością zewnętrznej modulacji oraz programowa−

nia za pomocą interfejsu komputerowego. Wadą

tego typu generatorów są stosunkowo duże znie−

kształcenia wytwarzanego sygnału rzędu 1% zwią−

zane z procesem przetwarzania cyfrowo−analo−

gowego (przy wytwarzaniu sygnału wyjściowego).

Do przemiatania częstotliwości w generatorach

“z syntezą” wykorzystuje się regulację częstotli−

wości zegara za pomocą napięcia. Ustawianie

częstotliwości startu, stopu oraz częstotliwości

środkowej zakresu przemiatania może być realizo−

wane nie tylko “z płyty czołowej” generatora, lecz

także programowo za pomocą interfejsu szerego−

wego typu RS−232C. Jeszcze większe możliwości

wykorzystania generatora funkcyjnego, przez włą−

czenie go wraz z innymi urządzeniami takimi jak

stacjonarny multimetr, oscyloskop czy zasilacz,

w system pomiarowy sterowany komputerem,

stwarza złącze interfejsu typu GPIB.

Rys. 7. Mikroprocesorowy generator funkcyjny

W najbardziej zaawansowanych technicznie

generatorach funkcyjnych stosuje się tzw. syntezę

częstotliwości ( rys. 8 ). Polega ona na wytworzeniu

przebiegu o żądanej częstotliwości na podstawie

danych cyfrowych zgromadzonych w pamięci

ROM. W procesie sterowanym przez mikroproce−

sor, przebieg o żądanym kształcie i częstotliwości

jest odtwarzany krok po kroku w procesie nazywa−

nym próbkowaniem. W kolejnym cyklu zegara

próbki są pobierane z pamięci ROM i przesyłane

do przetwornika cyfrowo−analogowego. Przetwor−

nik przetwarza informację uzyskaną z pamięci

w sygnał analogowy i doprowadza go do wyjścia

Rys. 8. Schemat blokowy generatora z synte−

zą częstotliwości

W następnym artykule z tego cyklu omówimy

generatory sygnałowe, tj. urządzenia wytwarzające

sygnały odpowiadające parametrami sygnałom

emitowanym przez stacje radiowe.

Leszek Halicki

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: