Файл: Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения.pdf

Проверки погрешности ламповых вольтметров, обусловленной фор­ мой кривой измеряемого напряжения, и т. д.

Генератор Г6-8 обеспечивает получение сигналов синус-квад- ратичной и ступенчатой формы и применяется для контроля и из­ мерения параметров телевизионной аппаратуры, аппаратуры ре­ лейных и кабельных линий связи и т. п.

§ 2.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ

Генераторы шумовых сигналов — это измерительные генерато­ ры, вырабатывающие флуктуационные напряжения с определен­ ными вероятностными характеристиками. Таким образом, генера­ торы шумовых сигналов представляют собой особый тип измери­ тельных генераторов, создающих на внешней нагрузке напряже­ ние заранее неизвестной (случайной) формы, которая не может быть предсказана. Известны не форма сигнала на выходе, а веро­ ятностные характеристики этого сигнала -- закон распределения, корреляционная функция или энергетический спектр и др.

Такие генераторы применяются при измерении коэффициента шума радиоприемников, усилителей и других четырехполюсников, предельной чувствительности усилителей, при исследовании поме­ хоустойчивости радиоэлектронных устройств и т. д.

Как и генераторы гармонических колебаний, генераторы шу­ мовых сигналов классифицируют в основном по рабочему диапа­ зону частот. Однако если спектр сигнала генератора гармониче­ ского колебания состоит из одной спектральной линии, положение которой на оси частот изменяется при перестройке генератора, то энергетический спектр шума, характеризующий распределение средней мощности по частоте, является сплошным во всей требуе­ мой полосе частот. Генераторы шумовых сигналов обычно не пере­ страиваются, а лишь в некоторых случаях допускают ступенчатое изменение ширины полосы энергетического спектра. В зависимо­ сти от диапазона, в котором находится верхняя граничная частоза спектра, генераторы делятся на инфранизкочастотные, низко­ частотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Метрологическими характеристиками генераторов шумовых сигналов являются:

—ширина энергетического спектра (спектр шума, полоса час­

тот) ;

—допустимая неравномерность спектральной плотности мощ­ ности шума;

—пределы изменения уровня выходного сигнала (или наи­ больший уровень);

—форма дифференциального закона распределения вероят­ ностей.

Структурная схема генератора шумовых сигналов приведена ка рис. 2.15.

Задающий генератор является наиболее специфическим узлом прибора. Если генерация гармонических и импульсных колебаний

36

осуществляется определенными схемами с положительной обрат­ ной связью при выполнении определенных условий (баланса фаз и баланса амплитуд), то «генерация» шума совершенно не связана

Рис. 2.15.

со схемами либо условиями подобного рода. «Генерация» шума — это использование естественных флуктуационных явлений и про­ цессов, имеющих место в различных устройствах (например, теп­ ловых флуктуаций в резисторах, дробовых шумов в электронных лампах, шумов низкотемпературной плазмы в газоразрядных лам­ пах и др.).

Возникновение шумов связано с хаотическим движением частиц Iэлектронов, ионов) в элементах электрических цепей. Выбор того пли иного физического явления для использования в задающем генераторе диктуется в первую очередь требованиями к ширине и равномерности спектра, интенсивности шума, стабильности и воспроизводимости характеристик.

Сигнал задающего генератора, как правило, должен иметь равномерную спектральную плотность мощности (т. е. равномер­ ный энергетический спектр) во всей полосе частот генератора шу­ мовых сигналов.

Спектральную плотность мощности принято характеризовать мощностью шума в полосе частот, равной 1 Гц, выделяемую в сопротивлении 1 Ом:

где U — действующее значение напряжения на сопротивлении

1Ом;

А/э — ширина энергетического спектра шума.

Как известно, идеальным сигналом с равномерной спектраль­ ной плотностью мощности является «белый» шум. Источником практически «белого» шума с чрезвычайно широким спектром яв­ ляется нагретый проволочный резистор. Действующее значение напряжения такого шума, развиваемое в полосе частот А/ на сопро­ тивлении R, рассчитывается по формуле Найквиста

нашли также вакуумные диоды, работающие в режиме насыще­ ния. В них используется явление дробового эффекта. Регулируя ток начала, можно изменять мощностью шума. Шумовой диод служит источником очень широкополосного шума (до сотен МГц) практически постоянной спектральной плотности мощности.

В диапазоне СВЧ используются газоразрядные трубки, запол­ ненные аргоном, неоном или гелием при давлении 3—30 мм рт. ст. Они выпускаются в коаксиальном и волноводном исполнении. При­ меняются и другие первичные источники шума (фотоумножители, стабилитроны и пр.).

Преобразователь может содержать усилители, фильтры, ограни­ чители, гетеродинные переносчики спектра. Эти элементы служат для усиления интенсивности шума, для формирования требуемой по­ лосы частот (в частности, для получения низко- и инфранизкочаетотных шумов), для получения заданного закона изменения спект­ ральной плотности мощности в диапазоне частот.

Основным элементом выходного устройства генератора шумо­ вых сигналов является калиброванный широкополосный аттенюа­ тор, обеспечивающий одинаковое ослабление во всей полосе шу­ мового сигнала.

Уровень сигнала контролируют с помощью вольтметра дейст­ вующих значений, подключенного на входе аттенюатора. В генера­ торе с нагреваемым резистором показание прибора, измеряющего температуру резистора, на основании формулы Найквиста пере­ водят в значения спектральной плотности мощности, в которых и градуируют прибор.

Примерами генераторов шумовых сигналов могут служить низ­ кочастотный генератор типа Г2-12 со спектром шума 20 Гц—20 кГц, неравномерностью спектральной плотности шума 2 дБ и выходной мощностью до 3 Вт; высокочастотный генератор типа Г2-32 со спектром шума 1—600 МГц.

38

Г Л А В А 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

§ 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основным прибором, применяемым для исследования формы сигналов, служит электронный осциллограф — прибор для визу­ ального наблюдения электрических сигналов и измерения их па­ раметров с помощью электроннолучевой трубки. С помощью осциллографа можно измерять мгновенные значения, амплитуды

напряжения и тока, временные параметры сигналов, частоту пов­ торения импульсов, глубину модуляции, сдвиг фаз и др. Неэлектри­ ческие процессы (давление, температуру, вибрацию, скорость и пр.) также можно исследовать с помощью осциллографа, предва­ рительно преобразовав их с помощью датчиков-преобразователей в электрические сигналы.

Осциллографы применяются практически во всех отраслях нау­ ки и техники как в качестве автономных приборов, так и в каче­ стве составных частей различных установок. Осциллограф входит в состав приборов для исследования характеристик сигналов и цепей: анализаторов спектра сигналов, измерителей частотных, пе­ реходных и вольт-амперных характеристик цепей и т. д.

Широкое применение электронного осциллографа обусловлено не только его универсальностью и наглядностью получаемого на экране изображения, но и такими его качествами, как высокое входное сопротивление, высокая чувствительность, пренебрежимо малая инерционность вплоть до очень высоких частот.

Осциллографы классифицируются по ширине полосы пропуска­ ния канала сигнала (до 1, 30, 100, 1000 и свыше 1000 МГц, причем нижняя граница полосы — либо нулевая частота, т. е. постоянный ток, либо частота порядка десятков герц); по точности воспроизве­ дения формы сигнала, по точности измерения временных интерва­ лов и амплитуды и др.

39

§ 3.2. ОБЩАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Общая функциональная схема осциллографа приведена на рис. 3.1. Основным элементом осциллографа является электронно-

Рис. 3.1.

лучевая трубка. От ее параметров в значительной мере зависят характеристики осциллографа. В осциллографах, как правило, ис­ пользуются трубки с электростатической фокусировкой и электро­ статическим отклонением луча. Устройство и принцип действия электроннолучевой трубки известны из курса электронных прибо­ ров.

Запишем выражения для отклонений луча на вертикали у и го­ ризонтали X под действием напряжений Оу и Ux, подаваемых на отклоняющие пластины трубки:

Ну, Нх — чувствительность трубки по осям У и X соответ­ ственно.

Величины Ну и Нх обычно лежат в пределах 0,2—1 мм/В.

В отсутствие напряжений на отклоняющих пластинах ЭЛТ луч фокусируют в яркую точку, которая с помощью органов управле­ ния положением луча может быть помещена в любое место экрана.

При рассмотрении принципа действия осциллографа будем по­ лагать, что электроннолучевая трубка является безынерционным

■10

прибором, что справедливо в области частот, в которой период или длительность исследуемого процесса существенно велики по сравне­

Принцип наблюдения формы напряжения на экране трубки за­ ключается в следующем. Исследуемое напряжение является функ­ цией времени, отображаемой в прямоугольных координатах гра­ фиком

и = /( /) .

Две пары отклоняющих пластин ЭЛТ отклоняют луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рас­ сматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч от­ клонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси — пропорционально мгновенному значению ис­

где /е — скорость изменения напряжения развертки, В/мкс.

Под действием этого напряжения луч перемещается по гори­ зонтали с постоянной скоростью слева направо и быстро возвра­

где Нх— чувствительность трубки по горизонтальной оси, мм/В; ѵх — скорость перемещения луча по горизонтали (скорость

развертки), мм/мкс.

К вертикально отклоняющим пластинам подводится исследуе­ мое напряжение. Следовательно, при действии обоих напряжений положение луча в каждый момент времени однозначно соответст­ вует значению исследуемого сигнала в этот момент. За время действия пилообразного напряжения луч вычерчивает на экране кривую исследуемого сигнала, называемую осциллограммой.

Рассмотрим назначение и состав основных узлов осциллографа.

Канал вертикального отклонения (канал сигнала) служит для обеспечения высокого входного сопротивления входа У и усиле­ ния сигнала перед подачей его на У-пластины. Он состоит из вход­ ного устройства и усилителя вертикального отклонения. Структур­ ная схема канала вертикального отклонения приведена на рис. 3.2.

41