Цифровые измерительные генераторы низких частот

Цифровые генераторы низких частот по сравнению с аналоговыми характеризуются более эффективными метрологическими характеристиками: высокой точностью установки и стабильностью частоты, малым коэффициентом нелинейных искажений (строго синусоидальной формой), постоянством уровня выходного сигнала. Цифровые генераторы, получающие все более широкое распространение, удобнее аналоговых в эксплуатации: выше быстродействие, существенно проще установка требуемой частоты, более наглядна индикация. Кроме того, они имеют возможности автоматической перестройки частоты по заранее заданной программе и применения в сочетании с цифровыми средствами обработки информации.

Действие цифровых генераторов основано на форматировании числового кода с последующим преобразованием его в аналоговый гармонический сигнал, который аппроксимируется функцией, моделируемой с помощью ЦАП.

Самый простой вид аппроксимации — ступенчатая. Она заключается в представлении (замене) гармонического колебания напряжением ступенчатой формы, весьма мало отличающейся от синусоидальной кривой (рис. 9.5, а).

Поясним суть ступенчатой аппроксимации сигналов. Аппроксимируемое гармоническое напряжение u (t) = U_v sin со7 дискретизируется во времени (равномерная дискретизация с шагом At) и в интервале, разделяющем два соседних момента времени t_i и t_i+v заменяют синусоидальное колебание напряжением постоянного тока — ступенькой, высота которой равна значению аппроксимируемого напряжения в момент u (t_t) = U_v sin со^.В результате вместо кривой синусоидальной формы получается ступенчатая линия, изображенная на рис. 9.5, а.

Рис. 9.5. Цифровой генератор низких частот:

а — ступенчатая аппроксимация; б — упрощенная структурная схема При периоде Т гармонического колебания число ступенек р, приходящихся на один период, определяется шагом дискретизации р = Т/ At. Если из технических соображений число ступенек задано, то изменение шага дискретизации приводит к изменению периода формируемого напряжения, поскольку Т = pAt.

Учитывая, что t. = iAt> уравнение ступенчатой кривой можно представить в виде u (iAt) = U_msin (mAt) или с учетом значения р и соотношения со = Ъх/Т записать в виде

Кроме того, ступенчатая кривая тем точнее приближается по форме к синусоиде (уменьшается погрешность аппроксимации), чем больше выбрано число ступеней р. Когда это число достаточно велико, сформированное ступенчатое напряжение можно рассматривать как низкочастотное синусоидальное напряжение, искаженное в небольшой степени высокочастотной аддитивной помехой.

Спектральный анализ напряжения, полученного путем ступенчатой аппроксимации, указывает на то, что его спектр содержит гармонику основной частоты. Разложение в ряд Фурье показывает, что ближайшей высшей гармоникой будет составляющая с номеромр— 1, следующей — гармоника номера р + 1, затем гармоники номеров 2р — 1 и 2р + 1 и т. д. Например, при р = 25 и частоте напряжения / основной гармоники ближайшими высшими гармониками будут 24-я, 26-я и 49-я, 51-я, т. е. напряжения на частотах 24/, 26/, 49/, 51/. Такие соотношения между основной и высшими гармониками позволяют просто осуществить высококачественную фильтрацию, резко ослабляющую высшие гармоники, т. е. получить синусоидальное напряжение, характеризуемое очень малым коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник).

Упрощенная структурная схема цифрового генератора, формирующего ступенчатую кривую, приведена на рис. 9.5, 6. Импульсный кварцевый генератор вырабатывает периодическую последовательность коротких импульсов с периодом следования Т. На выходе делителя частоты с регулируемым коэффициентом деления g получается последовательность импульсов с периодом следования At = gT, задающим шаг дискретизации. Импульсы поступают в счетчик емкостью р. Кодовая комбинация, определяемая числом импульсов г, накопленных в счетчике, передастся в схему ЦАП. Последний вырабатывает напряжение, соответствующее числу г, т. е. u (iAt) = U_msin (i2n/p). Таким образом формируются р ступенек аппроксимируемой кривой. После накопления р импульсов счетчик переполняется и сбрасывается в нуль. С приходом (р + 1)-го импульса начинается формирование нового периода ступенчатой кривой.

Частоту формируемого колебания при фиксированном числе ступенек р регулируют, изменяя шаг дискретизации At, что достигается изменением коэффициента деления g делителя частоты.