Разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение……………………….……………………………………......….

1. Обзорная часть…………………………………………..……………...…
1. Основные понятия и виды генераторов сигналов …………………

2. Описание принципа работы генераторов на DDS………………….

2. Разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза ……………………………………………...

2.1. Анализ технического задания на разработку……………………….

2.2. Описание структурной схемы устройства………………………….

3. Описание элементной базы……………………………………………….
4. Построение и описание схемы электрической принципиальной………
5. Разработка печатной платы устройства………………………………….
1. Выбор среды разработки печатной платы………………………….

        5.2. Описание технологии производства печатной платы……………..

        5.3. Конструкторский расчет печатной платы………………………….

6. Расчетная часть……………………………………………………………

6.1 Расчет потребляемой  мощности……………………………………..

6.2 Расчет надежности……………………………………………………

7. Разработка программного обеспечение для МК……………………….

7.1. Описание среды  разработки…………………………………………

7.2. Разработка алгоритма  программы…………………………………..

8. Технико-экономическое обоснование проекта …………………………

8.1 Маркетинговое исследование рынка системы лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового

синтеза и актуальность ее разработки……………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

8.2. Расчёт трудоемкости и цены разработки ………………………….

8.3. Расчёт затрат на создание устройства …………………………….

9. Вопросы охраны труда и экологии……………………………………..

9.1 Охрана труда и техника безопасности на предприятиях производства……………………………………………………………………

9.2 Опасные и вредные факторы при производстве РЭА и меры защиты от них……………………………………………………………………

9.3 Техника безопасности при электромонтажных работах……………

9.4 Экологическая политика предприятия……………………………….

9.5 Вопросы экологии при производстве печатных плат………………

10. Заключение…………………………………………………………….….
11. Список литературы……………………………………………………….

 

Приложение А – Схема электрическая структурная лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

Приложение Б – Схема электрическая принципиальная лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

Приложение В – Чертеж печатной платы лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

Приложение Г – Алгоритм программы микроконтроллера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ                                                                 

 

В большинстве радиосистем источником высокостабильных колебаний являются синтезаторы частот. В настоящее время наиболее широко применяются синтезаторы, в которых используются метод прямого аналогового синтеза, метод фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, а так же цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС, DDS) на основе метода прямого цифрового синтеза.

Важными особенностями цифрового метода синтеза частот являются

возможность быстрого изменения параметров синтезируемого сигнала, высокое разрешение по частоте и фазе, наличие цифрового интерфейса для

управления. В основном у аналогичных приборов, выполненных на микроконтроллерах, диапазон генерируемых частот ограничен несколькими мегагерцами, а получение точного значения частоты невозможно. Описываемый в дипломном проекте генератор тоже содержит микроконтроллер, но использован он только для управления специализированной микросхемой — синтезатором частоты AD9833. Применение этой микросхемы позволило обеспечить генерацию сигнала с низким уровнем искажения и высокой стабильностью, а также расширению диапазона генерируемых частот от долей герца до несколько десятков МГц, в пределах которого можно получить любое значение частоты с точностью 0,1 Гц. По применению синтезаторы DDS делятся на две категории: разработчикам телекоммуникационных устройств требуются генераторы с мгновенной перестройкой частоты , с низким уровнем фазового шума и с низким уровнем гармоник и интермодуляционных составляющих. В таких случаях часто применяются синтезаторы DDS как обладающие хорошими характеристиками с точки зрения спектра выходного сигнала и высоким разрешением по частоте. В этих областях синтезаторы DDS применяются для модуляции сигнала, в качестве источников опорного сигнала для генераторов с петлей ФАПЧ, в качестве генераторов-гетеродинов, и даже для прямого синтеза радиосигнала.

 Другая категория  — это различные промышленные  и медицинские системы, где синтезаторы DDS используются в качестве программируемых генераторов. Так как синтезатор DDS программируется с помощью цифрового сигнала, фазой и частотой сигнала легко управлять без переключения внешних компонентов, которое требовалось бы в случае применения аналоговых генераторов. Синтезатор DDS позволяет легко перестраивать частоту в реальном времени для настройки на резонансную частоту или для компенсации температурного дрейфа. Синтезаторы DDS применяются в подобных случаях для измерения импеданса (например, при работе с датчиками, у которых изменяется импеданс), для генерации импульсных сигналов для стимуляции, или для измерения затухания в локальных сетях или в телефонном кабеле.

Целью дипломного проекта является разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза.

В первой главе  рассмотрены различные виды генераторов сигналов, принцип их работы, а также  метод прямого цифрового синтеза.

Во второй главе работы описана структурная схема лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза.

В третьей  главе приведена элементная база устройства.

В четвертой главе описана построение электрической принципиальной схемы лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза.

В пятой главе  рассмотрена среда разработки печатных плат и выбор технологии производства печатных плат, а также проведен конструкторский расчет печатной платы устройства.

В шестой главе  дипломного проекта проведен расчет надежности и электрической части устройства.

В седьмой  главе описана среда разработки программного обеспечения для микроконтроллера и также приведен ее алгоритм.

Восьмая глава  посвящена экономическому анализу проекта.

В девятой  главе рассмотрены вопросы охраны труда и экологии.

В заключении приведены основные результаты и  выводы по работе над дипломным проектом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ

 

1. Основные понятия и виды генераторов сигналов

В радиотехнике и электронике  генератор используется для получения  сигнала с заданными параметрами  статических и энергетических показателей, а также – применяется для  преобразования сигналов различной природы (электрический, акустический или другой) и измерения их качественных характеристик (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.).

Стандартный генератор сигналов состоит  из двух составных частей – источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра). Источник производит сигнал, тогда как формирователь изменяет его, с целью получения заданных параметров: усиливает, уменьшает, меняет частоту.

Генераторы распределяются по следующим категориям:

1. Генераторы синусоидальных сигналов.

Вплоть до 60-х годов ушедшего XX века генераторы синусоидального напряжения строились почти исключительно первых трех типов. Но затем развитие микроэлектроники и появление высококачественных аналоговых компонентов (прежде всего, интегральных операционных усилителей) привело к широкому распространению функциональных генераторов, составивших основу генераторов четвертого типа. В 70–80-е годы бурное развитие цифровой и вычислительной техники привело к разработке и освоению массового производства генераторов пятого типа, основанных на цифровых методах синусоидальных и многих других (в том числе произвольных) видов сигналов.

Синусоидальные сигналы широко используются для тестирования и отладки самых разнообразных электронных устройств. Это связано с тем, что они являются простейшими, изменяющимися во времени, сигналами, но с постоянными параметрами — амплитудой, частотой и фазой. Изменение этих параметров позволяет осуществлять модуляцию синусоидальных сигналов и использовать их для переноса информации. На этом основаны многочисленные сферы применения синусоидальных сигналов в технике электросвязи и радиотехнике.

Источниками синусоидальных сигналов могут быть струны музыкальных инструментов, камертоны, катушки, вращающиеся в постоянном магнитном поле, и другие устройства.

В измерительной технике применяются несколько основных типов таких источников - генераторов синусоидального напряжения:

1.1. Низкочастотные RC генераторы.

RC-генераторы используются для генерации сверхнизких и низких частот, а также радиочастот примерно до 2–5 МГц. Как правило, модуляция у таких генераторов не используется — за исключением некоторых моделей с частотой генерируемых сигналов выше 100 кГц.

На рис. 1.1 показана одна из типовых схем RC-генераторов с Г-образной ИЦ, образованной последовательной (R1C1) и параллельной (R2C2) RC -цепями.

Рис. 1.1 - Типичная схема RC - генератора на операционном усилителе

1.2. Высокочастотные LC генераторы.

На высоких частотах (от 10 кГц до 100 МГц и выше) применяются LC - генераторы на основе высокодобротных LC - контуров.

Наиболее распространенный способ получения высокочастотных синусоидальных колебаний - это применение генератора, стабилизированного LC-контуром, в котором LC-контур, настроенный на определенную частоту, подключен к усилительной схеме, чтобы обеспечить необходимое усиление на его резонансной частоте. Охватывающая схему петля положительной обратной связи применяется для поддержания колебаний на резонансной частоте LC-контура и такая схема будет самозапускающейся.

1.3.Генераторы с пьезокристаллическими, кварцевыми и электромеханическими резонаторами.

Колебательная система  автогенератора вовсе не обязательно  должна быть LC - контуром. Возможно применение пьезокерамических фильтров, кварцевых резонаторов и даже камертонов с электромагнитами. На рис. 1.2 показаны две схемы автогенераторов с пьезокерамическими фильтрами, обычно предназначенными для применения в усилителях промежуточной частоты супергетеродинных радиоприемников.

 

Рис. 1.2 - Автогенераторы на основе пьезокерамических фильтров на частоту 465 кГц (а) и 10,7 МГц (б)

1.4.Генераторы, формирующие синусоидальные сигналы из треугольных сигналов путем их плавного ограничения.

Аналоговые функциональные генераторы обеспечивают широкий диапазон перестройки по частоте, возможность электронного управления частотой и малое время установки амплитуды при перестройке частоты сигналов. Однако они имеют серьезный недостаток — высокий коэффициент нелинейных искажений. Поэтому полноценную замену RC - генераторов функциональные генераторы не обеспечивают.

1.5.Генераторы, реализующие цифровые методы синтеза синусоидальных сигналов.

Существует довольно много методов синтеза синусоидальных сигналов цифровыми методами. Основными являются следующие методы:

1.Синтез сигналов на основе деления-умножения частоты высокостабильного (опорного) генератора с очисткой сигнала путем фильтрации.

2.Прямой цифровой синтез  сигналов DDS (Direct Digital Synthesizers) путем опроса памяти, хранящей оцифрованные отсчеты сигнала заданной формы, с преобразованием их в аналоговый сигнал с помощью высокоскоростных цифроаналоговых преобразователей.

Первый способ в настоящее время реализован с помощью целого ряда микросхем синтезаторов частоты. При этом используются как цифровые, так и аналоговые делители и умножители частоты. Как правило, получить достаточно чистый синтезированный сигнал очень трудно. Поэтому широко используются системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ) генератора синусоидальных сигналов под синтезированный сигнал, его гармоники или субгармоники.

2. Генераторы импульсов.

Генераторы импульсов находят очень широкое применение в качестве источников несинусоидальных сигналов. Они необходимы для тестирования и отладки импульсных систем, например радиолокаторов, и цифровых систем и устройств различного назначения.

3. Функциональные генераторы.

Функциональными генераторами принято называть генераторы нескольких функциональных зависимостей (сигналов), например, прямоугольных, треугольных и синусоидальных, формируемых с одной перестраиваемой в достаточно широких пределах частотой. Разнообразие форм сигналов расширяет сферы применения таких генераторов и позволяет использовать их для тестирования, отладки и исследования самой разнообразной электронной аппаратуры.

В отличие от RC - и LC - генераторов функциональные генераторы являются более широкодиапазонными - отношение максимальной частоты генерации к минимальной у них имеет нередко порядок 10 в 5 – 10 в 6 степенях и выше. Наиболее часто функциональные генераторы используются при отладке ВЧ, НЧ и сверхнизкочастотных устройств. В СВЧ диапазоне частот эти устройства не используются, за исключением применения в качестве источников модулирующих сигналов.

Функциональные генераторы делятся на два широких класса:

- Аналоговые функциональные генераторы на основе интегратора аналоговых сигналов в виде прямоугольных импульсов (меандра).

- Цифровые функциональные генераторы на основе дискретных (цифровых) интеграторов.

4. Генераторы сигналов произвольной формы.

Генераторы сигналов произвольной формы — новое направление  развития техники генерации сигналов, основанное на прямом цифровом синтезе различных, в принципе произвольных, форм сигналов.

Прямой цифровой синтез сигналов произвольной формы открыл возможности построения нового поколения цифровых генераторов сигналов - как множества стандартных форм, так и произвольных. Однако введение синтеза произвольных сигналов неизбежно усложняет такие генераторы, так как требует применения перепрограммируемой электрическим способом памяти, введения редактора форм сигналов и средств отображения синтезируемой формы сигнала. В связи с этим генераторы этого типа относятся к достаточно сложным и дорогим приборам.

Тем не менее, такие приборы в целом ряде случаев остро необходимы. По мере усложнения связной, телекоммуникационной, телевизионной и радиолокационной техники растет число форм сигналов, необходимых для ее тестирования. Уже сейчас число форм тестируемых сигналов просто не поддается воображению. Единственной гарантией получения нужной формы сигналов является переход к технике прямого цифрового синтеза произвольных сигналов.

Утверждения о генерации произвольных сигналов несут в себе некоторую долю лукавства. Дело в том, что цифровой синтез сигналов возможен с точностью во времени до периода дискретизации сигнала и по уровню с точностью до квантования по уровню (разрядности ЦАП). В силу этого набор "произвольных" сигналов на самом деле оказывается набором просто очень большого, но все же конечного, числа форм сигналов. Однако при квантовании сигналов с разрядностью 8–14 бит и числом отсчетов сигналов в несколько тысяч количество возможных форм настолько велико, что на практике можно говорить о синтезе сигнала практически любой (в пределах описанных ограничений) формы сигналов.

 

2. Описание принципа работы генераторов на DDS

Для генерации сигнала  напряжения в традиционных аналоговых генераторах используются электронные компоненты, многими различными способами формирующие осциллятор, и генерируемые сигналы имеют низкие точность частоты, стабильность, разрешение, установка частоты неудобна. Технология прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesis – DDS) – современный способ генерации сигналов, который не требует наличия осциллятора, а генерирует последовательность цифровых отсчетов, которые преобразуются в аналоговый сигнал в цифро-аналоговом преобразователе. Например, для формирования синусоидального сигнала функция y = sin(x) дискретизируется, а затем значения х сохраняется как адрес в памяти, а значения у – как дискретные данные в устройстве запоминания форм сигналов. В технологии DDS для управления адресом в устройстве запоминания форм сигналов используется методика добавления фазы. Приращение фазы добавляется к текущему значению в фазовом аккумуляторе на каждом отсчете, таким образом, чтобы изменять значение выходной частоты за счет изменения приращения фазы. В соответствии со значением адреса из фазового аккумулятора, дискретизированные данные берутся из устройства запоминания форм сигналов и преобразуются в аналоговое напряжение посредством цифро-аналогового преобразователя и операционного усилителя. Поскольку сигнал формируется на основе дискретных данных, на выход генератора выдается ступенчатая синусоида. Входящие в нее гармоники высоких порядков необходимо подавить с помощью низкочастотного фильтра, чтобы на выходе осталась непрерывная гладкая синусоида. За счет использования высокоточного источника опорного напряжения в цифро-аналоговом преобразователе, сигнал на выходе имеет высокую стабильность и точность установки амплитуды. Контроллер амплитуды представляет собой перемножающий цифро-аналоговый преобразователь, аналоговый сигнал, пропущенный через фильтр, используется как эталон напряжения цифро-аналогового преобразователя, этот эталон умножается на значение амплитуды, введенное с помощью кнопок управления, так, чтобы частота выходного сигнала сравнялась с введенным значением. Синтезированный сигнал с контроллеров амплитуды и смещения усиливается усилителем мощности и усилителем напряжения, а затем подается на выход генератора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО МОДУЛЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА СИГНАЛОВ НА БАЗЕ ПРЯМОГО ЦИФРОВОГО СИНТЕЗА

2.1 Анализ технического задания на разработку лабораторного модуля для изучения сигналов на базе прямого цифрового синтеза

Техническое задание  является основным документом, определяющим требования и порядок создания (развития или модернизации) автоматизированной системы, в соответствии с которым проводится разработка проекта и его приемка при вводе в эксплуатацию.

2.1.1 Основания для разработки

Основанием для разработки является необходимость в получении сигналов  произвольных частот, также изучение генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза.

2.1.2 Цель разработки

Разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза.

2.1.3 Назначение разработки

Требуется создание устройства лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза, способного выдавать сигнал запрограммированной частоты.

2.1.4 Анализ устройства

При разработке любого устройства необходимо оценивать целесообразность его производства. Создаваемое оборудование, должно иметь малую себестоимость производства наряду с повышенными техническими характеристиками по отношению к аналогам. Устройство «генератор сигналов» востребовано на рынке промышленного оборудования, т.к. это относительно новый вид оборудования. У этого генератора есть ряд преимуществ: низкая стоимость, малое потребление энергии, простые команды и вычисления, высокая точность выходного сигнала. Именно в этих качествах данного вида оборудования заинтересованы предприятия-потребители. Спрос на генераторы сигналов на базе прямого цифрового синтеза растет, а значит и растет предложение.

Предлагаемая модель генератора сигналов отличается своей функциональной простотой, а следовательно и простотой в управлении.

 

2.2 Описание структурной схемы устройства

Данное устройство, структурная схема которого представлена на рисунке 2.1, представляет собой генератор сигналов на базе прямого цифрового синтеза.

Рисунок 2.1 – Структурная  схема генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

Основные компоненты устройства:

-  МК – микроконтроллер,

-  ПГС – программируемый генератор сигналов,

- Б – буферная схема интерфейса SPI,

-  Г – кварцевый генератор,

- И – семисегментный индикатор,

- К – кнопки.

Частота сигнала и его фаза задаются программным способом через ICSP  
интерфейс. На МК возлагается функция загрузки регистров генератора.

В начале микроконтроллер опрашивает клавиатуру, предназначенную для управления, после синхронизируется с индикатором и преобразовывает информацию на вывод в индикатор. Далее вычисляет значение кода частоты и отправляет его через буферную схему интерфейса SPI в DDS синтезатор.

На схеме буфер предназначен для буферизации шины данных и управления.

Программируемый генератор  сигналов  подключен в стандартном режиме. После сигнал подается на вывод ПГС. В качестве тактового генератора для ПГС применен кварцевый генератор - Г.

Для определения яркости свечения  индикатора, на сегменты подключены  резисторы, также для управления индикатором используются транзисторы.

Для развязки по цепям  питания используются керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, соединенные  параллельно с танталовыми конденсаторами емкостью порядка 10 мкФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

 

• Описание микроконтроллера PIC16f877

Микроконтроллер - это  устройство, выполняющее ограниченный набор функций. В кристалле микроконтроллера размещено не только ядро вычисления, но также: запоминающее устройство, где  хранятся программа контроллера  и данные; набор периферийных устройств (ПУ), для полноценного использования микроконтроллера; порты ввода-вывода.

Микроконтроллеры большое  распространение получили в области  систем автоматического контроля и  управления. Микроконтроллеры представляют собой полностью готовые миниатюрные  устройства, которые не требуют подключения внешних устройств, для нормальной работы. Возможность программирования микроконтроллеров позволяет использовать их в любых сферах электроники с максимально возможной программной обработкой сигнала.

Производством микроконтроллеров занимаются более 35 компаний, самыми распространенными из которых являются Microchip и Atmel. В ассортименте имеются микроконтроллеры от простейших до супер сложных.

Отличаются они составом периферийных устройств и техническими характеристиками. Благодаря широкому спектру микроконтроллеров, разработчики устройств на микроконтроллерах могут выбрать наиболее подходящий для своего устройства.

При выборе микроконтроллера следует исходить из того, что он будет удовлетворять по некоторым  параметрам: тип и габариты корпуса, наличие необходимых периферийных устройств, интерфейсы программирования, способы программирования микроконтроллера, возможность установки защиты кода программы, функция энергопотребления микроконтроллера и другие.

В дипломном проекте используется микроконтроллер PIC16F877.

Таблица 3.1 Характеристики микроконтроллера PIC16F877

 

ОЗУ данных	192
Сброс (задержка сброса)	POR, BOR (PWRT, OST)
Flash-память программ	4K
АЦП	8 каналов
EEPROM	128
Порты ввода/ вывода	Порты A, B, C, D, E
Прерываний	14
Таймер	3
Модуль захват/сравнение/ШИМ	2
Последовательный интерфейс	MSSP, USART
Инструкций	35
Частота	20МГц
Паралл. интерфейс	PSP

 

 

Цоколевка:

Рисунок 3.1 – Обозначение выводов PIC16f877

 

Особенности ядра микроконтроллера:

• Высокопроизводительный RISC-процессор;
• Всего 35 простых инструкций для изучения;
• Все инструкции исполняются за один такт, кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта;
• Скорость работы: тактовая частота до 20 МГц;  
  минимальная длительность такта 200 нс
• Flash-память программ до 4к x 14 слов
• Память данных (ОЗУ) до 192 x 8 байт
• ЭСППЗУ память данных до 128 x 8 байт
• Совместимость цоколевки с PIC16C73/74/76/77
• Механизм прерываний (до 14 внутренних/внешних источников)
• Восьмиуровневый аппаратный стек
• Прямой, косвенный и относительный режимы адресации
• Сброс при включении питания (POR)
• Таймер сброса (PWRT) и таймер ожидания запуска генератора (OST) после включения питания)
• Сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы
• Программируемая защита кода
• Режим экономии энергии (SLEEP)
• Выбираемые режимы тактового генератора
• Экономичная, высокоскоростная технология КМОП FLASH/ЭСППЗУ
• Полностью статическая архитектура
• Программирование на плате через последовательный порт с использованием двух выводов
• Для программирования требуется только источник питания 5В
• Отладка на плате с использованием двух выводов
• Доступ процессора на чтение/запись памяти программ
• Широкий диапазон рабочих напряжений питания: от 2,0В до 5,5В
• Сильноточные линии ввода/вывода: 25 мА
• Коммерческий и промышленный температурные диапазоны
• Низкое потребление энергии: