Основные сведения и назначение генераторов низких частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лидский колледж учреждения образования "Гродненский государственный университет имени Янки Купалы"

Реферат

по дисциплине "Методы и средства измерений"

Основные сведения и назначение генераторов низких частот

Выполнил учащийся

Ненартович Ян Владиславович

Лида, 2020

Содержание

Введение

1. Понятие о генераторе низких частот

2. Виды генераторов низких частот

3. Преимущества генераторов низких частот

4. Недостатки генераторов низких частот

Заключение

Список использованных источников

Введение

История создания генераторов уходит в далёкий XIX век. К созданию, изобретению и их совершенствованию приложили свои знания и талант такие великие ученые Э. Ленц и Якоби, англичанин Г. Уальд, французские братья Пиксин, бельгиец З. Грамм и многие другие.

Сегодня невозможно представить нашу жизнь без этих уникальнейших и, ставших невероятно многообразными по своим функциям, характеристикам, видам и прочим параметрам, приборов.

Кратко рассмотрим это на примере генераторов, использующие низкочастотные сигналы. Но их громадное количество и каждый их них по-своему уникален и массово востребован всеми отраслями современных производств, нефтяной, металлургической промышленностью, сферой услуг, интернет бизнесом, в здравоохранении, телевидении, быту и так далее.

Низкочастотные генераторы (в нашем примере радиоизмерительные приборы) являются источниками различных "испытательных сигналов" при снятии низкочастотных, амплитудных, модуляционных характеристик для исследования нормальной работы и, при необходимости, мгновенной настройки различной электронной аппаратуры. Они же незаменимы для точного определения индуктивности, частоты, ёмкости, фазы, нелинейности характеристик практически всех электрических и электронных приборов.

Без генераторов низкочастотных сигналов невозможно определить рабочие диапазоны частот, их погрешности, коэффициенты нелинейных искажений, нестабильность выходных напряжений электротехнического оборудования. А это означает, что без них могут останавливаться целые предприятия, громадные концерны, нефтеперерабатывающие заводы, да вся наша "нормальная жизнь современности". И это не пустые слова, а реальные факты, что должны соблюдаться безукоризненно и в строгом соответствии с правилами технологических регламентов и прочих производственных нормативов.

Современные измерительные генераторы низкочастотных сигналов отличаются от большинства других видов генераторов идеально точной установкой и регулировкой практически всех параметров электро- и радиотехнического оборудования любой степени сложности и области их применения.

1. Понятие о генераторе низких частот

Низкочастотные генераторы, или генераторы низких частот (ГНЧ), являются источниками синусоидального сигнала в разных диапазонах частот: F< 20 Гц (инфразвуковые), 20 Гц... 20 кГц (звуковые), 20...200 кГц (ультразвуковые). Диапазон частот может быть расширен до F> 200 кГц.

ГНЧ применяются для всестороннего исследования трактов радиоприемных устройств, для питания мостов переменного тока и пр.

Рис 1.1 Структурная схема аналогового ГНЧ

Задающий генератор определяет форму и все частотные параметры сигнала: диапазон частот, погрешность установки частоты, нестабильность частоты, коэффициент нелинейных искажений.

Если на лицевой панели прибора форма сигнала не указана, то она всегда синусоидальная. В качестве задающего используются генераторы типа RC.

Усилитель ослабляет влияние последующих блоков на задающий генератор, делая его частотные параметры более качественными, обеспечивает усиление сигнала по напряжению (мощности) и позволяет плавно изменять напряжение на выходе.

Согласующий трансформатор предназначен для ступенчатого согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением подключаемой нагрузки. Согласующий трансформатор используется в генераторах с повышенным уровнем выходной мощности. У большинства низкочастотных генераторов этот трансформатор отсутствует.

Переключатель нагрузки обеспечивает согласование выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки . Если не выполняется согласование, то напряжение на выходе не соответствует установленному по индикатору генератора, генератор даже может выйти из строя. Наиболее распространенными значениями являются 5,50,600 и 6 000 Ом.

Аттенюатор обеспечивает получение на выходе разных по значению напряжений, изменяющихся дискретно. При этом входное и выходное сопротивления аттенюатора не меняются и согласование не нарушается. Иногда ослабление указывается не в вольтах, а в децибелах.

Цифровые ГНЧ по сравнению с аналоговыми имеют более качественные метрологические характеристики: меньшую погрешность установки и нестабильности частоты, меньший коэффициент нелинейных искажений, стабильность уровня выходного сигнала.

Рис 1.2 Структурная схема цифрового ГНЧ

Задающий генератор импульсов с кварцевой стабилизацией частоты вырабатывает короткие импульсы в периодической последовательности, которые поступают на делитель частоты. На выходе делителя частоты с регулируемым коэффициентом деления образуется последовательность импульсов с заданным периодом следования, определяющим шаг дискретизации.

Счетчик подсчитывает поступающие на него импульсы, кодовая комбинация накопленных в счетчике импульсов подается в цифро-аналоговый преобразователь, который вырабатывает соответствующее напряжение. После переполнения счетчик обнуляется и готов к началу формирования следующего периода.

2. Виды генераторов низких частот

(ГНЧ) используют для получения незатухающих периодических колебаний электрического тока в диапазоне частот от долей Гц до десятков кГц. Такие генераторы, как правило, представляют собой усилители, охваченные положительной обратной связью (рис. 2.7, 2.8) через фазосдвигающие цепочки. Для осуществления этой связи и для возбуждения генератора необходимы следующие условия: сигнал с выхода усилителя должен поступать на вход со сдвигом по фазе 360 градусов (или кратном ему, т.е. 0, 720, 1080 и т.д. градусов), а сам усилитель должен иметь некоторый запас коэффициента усиления, KyCM,N. Поскольку условие оптимального сдвига фаз для возникновения генерации может выполняться только на одной частоте, именно на этой частоте и возбуждается усилитель с положительной обратной связью.

Рис. 2.1

Рис. 2.2

Для сдвига сигнала по фазе используют RC- и LC-цепи, кроме того, сам усилитель вносит в сигнал фазовый сдвиг. Для получения положительной обратной связи в генераторах (рис. 2.1, 2.7, 2.9) использован двойной Т-образный RC-мост; в генераторах (рис. 2.2, 2.8, 2.10) - мост Вина; в генераторах (рис. 2.3 - 2.6, 2.11 - 2.15) - фазосдвигающие RC-цепочки. В генераторах с RC-цепочками число звеньев может быть достаточно большим. На практике же для упрощения схемы их число не превышает двух, трех.

Рис. 2.3

Рис. 2.4

Рис. 2.5

Рис. 2.6

Расчетные формулы и соотношения для определения основных характеристик RC-генераторов сигналов синусоидальной формы приведены в таблице 11.1. Для простоты расчета и упрощения подбора деталей использованы элементы с одинаковыми номиналами. Для вычисления частоты генерации (в Гц) в формулы подставляют значения сопротивлений, выраженные в Омах, емкостей - в Фарадах. Для примера, определим частоту генерации RC-генератора с использованием трехзвенной RC-цепи положительной обратной связи (рис. 2.5). При R=8,2 кОм\ С=5100 пФ (5,1х 10~9 Ф) рабочая частота генератора будет равна 9326 Гц.

Таблица 1.1

Для того чтобы соотношение резистивно-емкостных элементов генераторов соответствовало расчетным значениям, крайне желательно, чтобы входные и выходные цепи усилителя, охваченного петлей положительной обратной связи, не шунтировали эти элементы, не влияли на их величину. В этой связи для построения генераторных схем целесообразно использовать каскады усиления, имеющие высокое входное и низкое выходное сопротивления. генератор радиоизмерительный частота

На рис. 2.7, 2.9 приведены "теоретическая" и несложная практическая схемы генераторов с использованием двойно- ю Т-моста в цепи положительной обратной связи.

Генераторы с мостом Вина показаны на рис. 2.8, 2.10 |Р 1/88-34]. В качестве УНЧ использован двухкаскадный усилитель. Амплитуду выходного сигнала можно регулировать потенциометром R6. Если требуется создать генератор с мостом Вина, перестраиваемый по частоте, последовательно с резисторами R1, R2 (рис. 2.2, 2.8) включают сдвоенный потенциометр. Частотой такого генератора можно также управлять, заменив конденсаторы С 1 и С 2 (рис. 2.2, 2.8) на сдвоенный конденсатор переменной емкости. Поскольку максимальная емкость такого конденсатора редко превышает 500 пФ, удается перестраивать частоту генерации только в области достаточно высоких частот (десятки, сотни кГц). Стабильность частоты генерации в этом диапазоне невысока.

Рис. 2.7

Рис. 2.8

На практике для изменения частоты генерации подобных устройств часто используют переключаемые наборы конденсаторов или резисторов, а во входных цепях применяют полевые транзисторы. Во всех приводимых схемах отсутствуют элементы стабилизации выходного напряжения (для упрощения), хотя для генераторов, работающих на одной частоте или в узком диапазоне ее перестройки, их использование не обязательно.

Схемы генераторов синусоидальных сигналов с использованием трехзвенных фазосдвигающих RC-цепочек (рис. 11.3) показаны на рис. 11.11, 11.12. Генератор (рис. 2.11) работает на частоте 400 Гц [Р 4/80-43].

Рис. 2.9

Рис. 2.10

Каждый из элементов трехзвенной фазосдвигающей RC-цепочки вносит фазовый сдвиг на 60 фадусов, при четырехзвенной - 45 градусов. Однокаскадный усилитель (рис. 2.12), выполненный по схеме с общим эмиттером, вносит необходимый для возникновения генерации фазовый сдвиг на 180 градусов. Заметим, что генератор по схеме на рис. 2.12 работоспособен при использовании транзистора с высоким коэффициентом передачи по току (обычно свыше 45…60). При значительном снижении напряжения питания и неоптимальном выборе элементов для задания режима транзистора по постоянному току генерация сорвется.

Рис. 2.11

Рис. 2.12

Рис. 2.13

Звуковые генераторы (рис. 11.13 - 11.15) близки по построению к генераторам с фазосдвигающими RC-цепочками [Рл 10/96-27]. Однако за счет использования индуктивности (телефонный капсюль ТК-67 или ТМ-2В) вместо одного из резистивных элементов фазосдвигающей цепочки, они работают с меньшим числом элементов и в большем диапазоне изменения напряжения питания.

Рис. 2.14

Рис. 2.15

Так, звуковой генератор (рис. 2.13) работоспособен при изменении напряжения питания в пределах 1…15 В (потребляемый ток 2…60 мА). При этом частота генерации изменяется от I кГц (ипит =1,5 В) до 1,3 кГц при 15 В.

Звуковой индикатор с внешним управлением (рис. 2.14) ткже работает при ипит =1… 15 В; включение/выключение генератора производится подачей на его вход логических уровней единицы/нуля, которые также должны быть в пределах 1…15 В.

Звуковой генератор может быть выполнен и по другой схеме (рис. 2.15). Частота его генерации меняется от 740 Гц (ток потребления 1,2 мА, напряжение питания 1,5 В) до 3,3 кГц (6,2 мА и 15 В). Более стабильна частота генерации при изменении напряжения питания в пределах 3… 11 В - она составляет 1,7 кГц+1 %. Фактически этот генератор выполнен уже не на RC-, а на LC-элементах, причем, в качестве индуктивности используется обмотка телефонного капсюля.

Низкочастотный генератор синусоидальных колебаний (рис. 2.16) собран по характерной для LC-генераторов схеме -емкостной трехточки". Отличие заключается в том, что в качестве индуктивности использована катушка телефонного капсюля, а резонансная частота находится в диапазоне звуковых колебаний за счет подбора емкостных элементов схемы.

Рис. 2.16

Рис. 2.17

Другой низкочастотный LC-генератор, выполненный по каскодной схеме, показан на рис. 11.17 [Р 1/88-51]. В качестве индуктивности можно воспользоваться универсальной или стирающей головками от магнитофонов, обмотками дросселей или трансформаторов.

RC-генератор (рис. 2.18) реализован на полевых транзисторах [Рл 10/96-27]. Подобная схема используется обычно при построении высокостабильных LC-генераторов. Генерация возникает уже при напряжении питания, превышающем 1 В. При изменении напряжения с 2 до 10 6 частота генерации понижается с 1,1 кГц до 660 Гц, а потребляемый ток увеличивается, соответственно, с 4 до 11 мА. Импульсы частотой от единиц Гц до 70 кГц и пыше могут быть получены изменением емкости конденсатора (; I (от 150 пФ до 10 мкФ) и сопротивления резистора R2.

Рис. 2.18

Представленные выше звуковые генераторы могут быть использованы в качестве экономичных индикаторов состояния (включено/выключено) узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, в частности, светоизлучающих диодов, для замены или дублирования световой индикации, для аварийной и тревожной индикации и т.д.

3. Преимущества генераторов низких частот

Такие приборы имеют ряд преимуществ:

Позволяют испытать, настроить и отремонтировать любую звуковую аппаратуру.

В устройстве используются задающие генераторы RC-типа, имеющие простую конструкцию, стабильность колебаний на частоте, форме и величине выходного напряжения, что гарантирует легкость и надежность в использовании.

Работа RC генератора основана на использовании частотно избирательных свойств RC цепей, включённых в цепь положительной обратной связи усилителя, что гарантирует максимальную точность в конечных показателях.

Доступность и простота в использовании. Конструкция аппарата очень простая и не требует специализированной подготовки для ее использования. К тому же сам прибор не несет какой-либо опасности поэтому имеет широкое распространение среди гражданских масс.

Широкий спектр применения. Прибор может быть использован не только в научных целях, но и в элементарных бытовых.

Устройство работает с частотой звуков, недоступной человеческому слуху и большинству приборов, выводя показатели в цифровых значениях, т.е. информация становится простой и понятной в независимости от того, может ли человек самостоятельно проверить ее с помощью органов чувств.

Обычно выходной усилитель генератора низких частот - двухтактный усилитель мощности, что дает возможность получения от устройства максимальной мощности при минимальных нелинейных искажениях.

Можно увидеть, что подобная техника имеет достаточно обширный ряд преимуществ, на которые стоит обратить внимание.

4. Недостатки генераторов низких частот

Несмотря на огромное количество плюсов, приборы имеют также и некоторые минусы:

Отдача максимальной мощности возможна только в случае, если выходное сопротивление генератора равняется входному сопротивлению нагрузки. Это приводит к работе на согласованную нагрузку, но если условия не соблюдаются, то включается режим холостого хода. Во избежание такого используется согласующий трансформатор, однако присутствует он не везде и иногда требует дополнительной установки.

LC-генераторы имеют громоздкий колебательный контур, который сложно перенастроить.

При частотах выходного сигнала, стремящимися к нулю, возможен захват частот генераторов или иначе - самосинхронизация.

Однако представленные отрицательные стороны использования ГНЧ не являются слишком значительными, однако следует и на них обратить внимание.Заключение

Рассматриваемый прибор получил распространение не только в научных кругах, но и в бытовых. Сейчас им активно пользуются не только в профессиональных сферах деятельности (на работе), но и для самостоятельного ремонта радиоинструментов, их проверки и перенастройки. Т.е. можно сказать, что ГНЧ полезен во всех сферах жизни, имея ряд преимуществ, главным из которых является простота в использовании и доступность.

Список использованных источников

1. Цифровые генераторы низких частот: плюсы и минусы. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://plusiminusi.ru/cifrovye-generatory-nizkix-chastot-plyusy-i-minusy/ - Дата доступа 5.12.2020

2. Классификация измерительных генераторов. Генераторы низкой частоты. Структурная схема, характеристики и параметры. Цифровые генераторы сигналов. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://studopedia.su/15_173836_generatori-nizkoy-chastoti.html - Дата доступа 5.12.2018

Размещено на Allbest.ru