Elektrotechnika

5. Generátory

V meracej technike potrebujeme aj meracie signály rôznej veľkosti, frekvencie a časového priebehu. Zdroje, ktoré dodávajú signály týchto vlastnosti zaraďujeme pod spoločný  názov generátory. Generátor je zariadenie alebo algoritmus na vytváranie vopred definovaných elementov (entít). Generátory dodávajú do elektrického obvodu signály rôznej veľkosti, frekvencie a časového priebehu.

Základné parametre a požiadavky na generátory:

-   kvalita tvaru vytvoreného signálu (THD, linearita, čelo, tylo, zvlnenie, ...)

- preladenie a stabilita frekvencie výstupného signálu (rozsah preladenia, stabilita   frekvencie, fázový šum, spektrálna čistota, skreslenie n-tou harmonickou, ...)

-  veľkosť výstupného signálu (rozsah, presnosť nastavenia, stabilita)

- výstupná impedancia (obyčajne 50Ω, 300Ω) a typ výstupu (symetrický, nesymetrický, zemnený, plávajúci)

- príslušenstvo a doplnky  

Dajú sa rozdeliť na generátory:

-  sínusové: nf, vf, vvf – nad 50MHz, rozmietávacie

-  nesínusové: obdĺžnikové, ihlové, trojuholníkové, pílové, iné

-  špeciálne – televízne

5.1 Nízkofrekvenčné generátory

Vyrábajú nízkofrekvenčný harmonický signál vo frekvenčnom rozsahu minimálne 20 Hz až 20 kHz. Požaduje sa plynulá zmena frekvencie s dekadickým prepínaním rozsahov, ako aj stupňovitá a plynulá zmena výstupného napätia v rozsahu hodnôt od asi 100 µV do 10 V. Skreslenie výstupného napätia má byť menšie ako 1 %, pre kvalitné generátory menšie ako 0,1 %. Budiacim stupňom všetkým generátorov je oscilátor LC alebo RC. Frekvencia generovaného napätia v oscilátore LC je daná rezonančnou frekvenciou obvodu LC 

RC generátory 

V generátoroch RC je základným zdrojom signálu oscilátor RC, preto je frekvencia generovaného signálu v oblasti od Hz do niekoľkých MHz. Harmonický oscilátor RC je spätnoväzbová sústava tvorená zosilňovačom a RC obvodom zapojeným tak, aby bola splnená amplitúdová a fázová podmienka vzniku oscilácií.  Z hľadiska čo najjednoduchšieho ladenia sú výhodné RC obvody s malým počtom rezistorov a kondenzátorov. Počet RC článkov však nemôže byť menší ako dva, inak oscilátor nebude kmitať. Za oscilátor RC sa zaraduje zosilňovač, ktorý plní funkciu oddeľovacieho stupňa OS. Celkový frekvenčný rozsah 10 Hz až 1 MHz je rozdelený do 5 dekadických podrozsahov.

Obr. 5.1. Bloková schéma generátora RC

OS – oddeľovací stupeň, MD – merací detektor, VD – výstupný delič

LC generátory  

Používajú sa na výrobu sínusových kmitov. Zdrojom je paralelne zapojený LC obvod, ktorého frekvencia      . Ak meníme L alebo C, meníme aj jeho frekvenciu.  V týchto generátoroch je základným zdrojom signálu niektorý z mnohých typov oscilátorov LC. Generátory LC pokrývajú frekvenčné pásmo od stoviek kHz do stoviek MHz. Najčastejšie sa používajú tzv. trojbodové oscilátory.  Nevýhodou je veľké nelineárne skreslenie.  

Záznejové  generátory

V záznejových generátoroch sa frekvencia f výstupného signálu odvodzuje od frekvencii f₁ a f₂ dvoch pomocných generovaných signálov. Frekvencia f₁ je pevná a je o niečo nižšia, ako je minimálna frekvencia pásma, v ktorom sa prelaďuje frekvencia f₂. Signály týchto dvoch frekvencii generujú dva oscilátory LC, z ktorých jeden je laditeľný. Obidve frekvencie f₁ a f₂ sú vyššie, ako výsledná frekvencia f, ktorá sa vytvára v zmiešavači ako rozdiel frekvencii f₁ a f₂. f = f₂ – f₁. Veľkou výhodou záznejových generátorov je ich široká relatívna preladiteľnosť  (až 1000 : 1).  Preto možno generovať signál v jednom frekvenčnom pasme od nízkych až po vysoké frekvencie. Ich nedostatkom je nízka stabilita frekvencie, ktorá sa zmenšuje smerom k nižším frekvenciám. Druhou nevýhodou záznejových generátorov je horšia harmonická čistota výstupného signálu.

Obr. 5.2. Bloková schéma nf záznejového generátora

O₁, O₂ – oscilátor, OS – oddeľovací stupeň, ZM – zmiešavač, F – filter, Z – zosilňovač, VD – vstupný delič, MZ – meracie zariadenie

5.2 Vysokofrekvenčné generátory

Vysokofrekvenčné generátory pokrývajú pásmo frekvencii od stoviek kHz do GHz. V dolnej časti frekvenčného pásma sa konštruujú väčšinou s oscilátormi LC so sústredenými parametrami. Vysokofrekvenčné generátory môžu vytvárať signály harmonické, ale i modulované, alebo harmonické s frekvenčným rozmietaním. Na vysokofrekvenčné generátory pre laboratórne účely sa kladú nasledujúce požiadavky: dostatočný frekvenčný rozsah, čo najpresnejšie nastavenie a odčítanie frekvencie s jemným rozlaďovaním, vysoká stabilita frekvencie, možnosť odčítania výstupného napätia, použitie amplitúdovej AM, frekvenčnej FM, príp. impulzovej IM modulácie, malý výstupný odpor, obyčajne  50, 60 alebo 75Ω, dokonalé tienenie.

Obr. 5.3. Bloková schéma vysokofrekvenčného generátora s amplitúdovou moduláciou

VFO – vysokofrekvenčný oscilátor, OS – oddeľovací stupeň, AM – amplitúdový modulátor, VD – výstupný delič, NFO – nízkofrekvenčný oscilátor, NFZ – nízkofrekvenčný zosilňovač, VFV – vysokofrekvenčný voltmeter, NFV – nízkofrekvenčný voltmeter

5.3 Rozmietač

Rozmietače sa používajú na zobrazenie celej frekvenčnej charakteristiky súčasne a odstraňujú prácne postupné meranie frekvenčných charakteristík a aktívnych prvkov. Aby sme mohli zobraziť celú frekvenčnú charakteristiku na obrazovke osciloskopu, treba aby sa počas periódy časovej základne osciloskopu zmenila frekvencia rozmietača v potrebnom rozsahu frekvencii f_min  a  f_max. Podľa veľkosti zdvihu môžeme rozmietače rozdeliť na:

- rozmietače s malým frekvenčným zdvihom

- rozmietače s veľkým frekvenčným zdvihom

Pri rozmietačoch s malým frekvenčným zdvihom (frekvenčných modulátoroch) sa frekvencia mení v malom rozpätí okolo strednej frekvencie f_s. Frekvencia f sa mení väčšinou zmenou kapacity v rezonančnom obvode oscilátora f = f (C).

Zmena proti strednej frekvencii f, býva malá,  asi 5% f_s. Kapacita sa mení zväčša napätím časovej základne, čo najviac zabezpečí aj synchronizáciu medzi rozmietačom a osciloskopom. Ako premenlivú kapacitu možno použiť: 

a) vibračný kondenzátor, ktorý má jednu elektródu pevnú a druhá  je pohyblivá, pripevnená na kmitajúcej cievke

b) otočný kondenzátor, pri ktorom sa kapacita mení otáčaním elektród pomocou motorčeka

c) reaktančnú elektrónku

d) polovodičovú diódu (varikap)

Základnú frekvenciu volíme podľa frekvenčného pásma meraného objektu. Detektor sa používa na odstránenie zložky napätia vf a na osciloskope sa zobrazí len obalová krivka. Rozmietač sa synchronizuje časovou základňou.

Obr. 5.4. Bloková schéma zapojenia na zobrazenie frekvenčnej charakteristiky

R – rozmietavač, D – detektor, Z- vertikálny zosilňovač osciloskopu,

ČZ – časová základňa osciloskopu, MO – meraný objekt

Obr. 5.5. Bloková schéma rozmietavača s väčším frekvenčným zdvihom

O1- oscilátor, RO – rozmietací oscilátor, S – zmiešavač, D – detektor,

 ČZ – časová základňa, MO – meraný objekt

5.4 Generátory tvarových napätí

Generátory tvarových napätí sú zdroje, ktoré dávajú na výstupe signál s obdĺžnikovým, pílovitým a trojuholníkovým priebehom napätia. Požiadavkou, okrem preladiteľnosti, je čo najvyššia lineárnosť, číže priebeh sa musí skladať z lineárnych úsekov, pri ktorých sa jeho úroveň nemení, lineárne narastá alebo klesá, prípadne sa skokom mení. Najčastejšie používaným meracím zdrojom je generátor obdĺžnikového napätia. Možno ho získať pretvarovaním harmonického napätia v reťazci, ktorého členy tvoria striedavo za sebou nasledujúce obmedzovače a zosilňovače.

Obr. 5.6. Princíp získania obdĺžnikového napätia pretvarovaním

Obr. 5.7. Principiálny obvod na získanie pílovitého napätia

5.5  Ďalšie generátory

Generátory AM signálov 

Generátory amplitúdovo modulovaných (AM) signálov sa robia pre oblasť vysokých frekvenciíi. Pri amplitúdovej modulácií sa ovplyvňuje amplitúda nosného signálu modulačným signálom. m=U_m/U_n 

Kde U_m  je amplitúda modulačného signálu a U_n je amplitúda nosného signálu. Hĺbka  modulácie sa obyčajné vyjadruje v %. Generátory AM signálov musia obsahovať laditeľný oscilátor ako zdroj nosného signálu.

Generátory FM signálov

Generátory frekvenčne modulovaných (FM) signálov majú frekvenciu výstupného signálu závislú od veľkosti modulačného signálu. Základným parametrom FM signálu je frekvenčný zdvih, ktorý predstavuje maximálnu zmenu frekvencie na jednu aj na druhú stranu nosnej frekvencie. Pri frekvenčnej modulácii sa modulačným signálom priamo mení frekvencia oscilátora, ktorý vytvára nosnú frekvenciu. Možno k tomu použiť kapacitnú diódu (varikap). Pri prelaďovaní oscilátora sa však mení niektorá reaktancia rezonančnej sústavy oscilátora, čo vedie k zmene frekvenčného zdvihu aj napriek tomu, že sa nemení veľkosť modulačného signálu ani veľkosť zmeny kapacity varikapu použitého ako modulačný prvok. 

Generátory špecialných priebehov

Do tejto skupiny generátorov patria generátory vytvárajúce rôzne postupnosti impulzov (napr. synchronizačná zmes pre televízne systémy), pílovité, trojuholníkové, a schodové priebehy a iné. Patria sem aj modulové generátory. Tvar generovaného signálu je daný základným zdrojom signálu generátora.