Генератор формування електричних сигналів
Вступ
Контрольно-вимірювальна техніка є тією сферою, яка дає поштовх для широкого та ефективного впровадження мікропроцесорної техніки. Використання вбудованих у вимірювальне обладнання мікропроцесорів та мікроЕОМ дозволило суттєво покращити такі характеристики пристроїв як точність, надійність, економічність та ін. З’явилась можливість здійснення автоматизації статистичної обробки результатів, розроблені і випускаються “інтелектуальні” пристрої – повністю автоматизовані, які радикально підвищують продуктивність праці і дозволяють розв’язувати цілком нові задачі.
В теперішній час широко
використовуються цифрові вимірювальні
прилади (ЦВП), які мають переваги
в порівнянні з аналоговими
У звязку із широким впровадженням персональних компютерів (ПК) виникла можливість технічної реалізації таких генераторів на базі існуючих ПК. Це дає можливість значно спростити апаратну частину приладу, а основні функції по керуванню роботою генератора покласти на програмне забезпечення ПК. Функціональні можливості та технічні характеристики такого приладу визначаються програмою і можуть бути легко видозмінені шляхом переходу до іншої програми.
Використання ПК дозволяє півищити точність вимірювальних пристроїв за рахунок автоматичної компенсації систематичної похибки, зокрема в автоматичній установці нуля перед началом вимірювання; автоматичного виконування градуіровочної операції (самокалібровки); виконування самоконтролю; проведення автоматичної обробки резу-льтатів вимірювання; виведення на дисплей інформації про результати процесу вимірювання.
Згідно із завданням на курсове проектування необхідно розробити генератор імпульсів заданої форми на базі ПК, який можна застосовувати в лабораторіях при налагодженні різноманітних радіотехнічних та дискретних пристроїв.
1 Аналітичний огляд існуючих рішень генераторів
Існує чимало схемотехнічних рішень побудови генераторів . Розвиток науково-технічного прогресу та зростання людських потреб сприяють вдосконаленню та змінам старих методів розробки генераторів. Аналізуючи переваги і недоліки раніше створених пристроїв, створюються нові – більш точні, досконалі та економічно вигідніші.
Генератори різницевої частоти мають у своєму складі два генератори високих частот, перетворювач і фільтр нижніх частот. Один з генераторів генерує сигнал на фіксованій частоті, частоту другого можна плавно змінювати в межах діапазону. Вихідні сигнали обох генераторів надходять на перетворювач частот, на виході якого в результаті перетворення маємо сигнали з різницевою і сумарними частотами. Сигнал із сумарною частотою відфільтровується фільтром нижніх частот, а сигнал з різницевою частотою подається на вихід генератора.
Стабільність частоти вихідного сигналу забезпечується стабільністю частот високочастотних генераторів. Для поліпшення стабільності вихідної частоти необхідно виконати обидва генератори якомога ідентичними, тоді відхилення частот обох генераторів під дією зовнішніх чинників будуть однаковими і різницева частота не зміниться.
Генератор різницевої частоти складається з трьох каналів: змінної, фіксованої і різницевої частоти, рисунок 5.
Рисунок 1 - Схема генератора різницевої частоти
Канал змінної частоти складається з генератора синусоїдного сигналу з плавною зміною частоти від 280 до 300 кГц, формувача однополярної напруги прямокутної форми тієї самої частоти, подільника частоти у 1000 разів, на виході якого створюється сигнал з частотою від 280 до 300 Гц, підсилювача потужності імпульсів і перетворювача, який працює у ключовому режимі.
Канал фіксованої частоти складається з генератора частоти 450 кГц, формувача імпульсів, подільника частоти у 1500 разів, фільтра нижніх частот, що виділяє першу гармоніку частоти імпульсів 300 Гц, яка надходить на другий вхід перетворювача.
Канал різницевої (вихідної) частоти, яку можна змінювати у межах від 0,01 до 20 Гц, складається з фільтра нижніх частот, що не пропускає сигнали з частотами більшими за 20 Гц, і ступінчастого атенюатора для зміни рівня вихідного сигналу до –110 дБ.
У генераторах різницевої частоти цей недолік усунуто, і весь частотний діапазон перекривається плавною зміною одного елемента. Це дає змогу не тільки збільшити стабільність частоти і амплітуди вихідного сигналу, а й автоматично із заданою швидкістю плавно змінювати частоту для зняття амплітудно-частотних та фазочастотних характеристик різних пристроїв. На рисунку 2, як приклад, наведена структура генератора різницевої частоти звукового та ультразвукового діапазону (20...40 000 Гц).
Генератори з кварцовими резонаторами частоти застосовують для налагодження апаратури з високими вимогами до стабільності частоти, наприклад сучасні пристрої телекомунікації, радіоелектроніки тощо. У цих генераторах високу стабільність частоти в одній точці частотного діапазону забезпечує кварцовий резонатор. Щоб забезпечити стабілізацію частоти в широкому діапазоні, застосовують множення, ділення і змішування частот кварцового резонатора, в результаті чого дістають низку дискретних частот діапазону. Плавне перекриття між сусідніми дискретними частотами досягається інтерполяцією.
Рисунок 2 - Схема генератора різницевої частоти
Генератор складається з двох каналів: каналу фіксованої частоти 400 кГц та каналу з плавною зміною частоти у діапазоні 360...400 кГц, який перекривається поворотом ротора конденсатора, причому ємність контуру змінюється лише на 20 %. Шкалу ротора проградуйовано в межах від 20 до 40 000 Гц у логарифмічному масштабі. У контурі генератора фіксованої частоти увімкнено конденсатор змінної ємності Ср, за допомогою якого вихідну частоту генератора можна змінювати у будь-якій точці пікали на ±100 Гц. Сигнали в обох каналах підсилюються і подаються на частотний перетворювач, на виході якого виділяється за допомогою фільтра нижніх частот Z1 сигнал різницевої частоти. Цей сигнал підсилюється і подається на вихідний каскад, призначений для забезпечення необхідної вихідної потужності та для узгодження вихідного опору генератора і опору споживача. Для підтримання незмінного рівня вихідного сигналу у каналі фіксованої частоти застосовано автоматичне регулювання підсилення (АРП). Змінювати частоту генератора можна як вручну, так і автоматично за допомогою пристрою автоматики і комутації, двигуна та редуктора, з'єднаного з віссю конденсатора.
Для цього дискретні частоти стабільного кварцового генератора і частоту інтерполяційного генератора, яку можна плавно змінювати, подають на перетворювач частоти, на виході якого після відповідної фільтрації отримують сумарну і різницеву частоти двох генераторів.
На рисунку 3, як приклад, наведена структура генератора з кварцовою стабілізацією частоти, на виході якого створюється сигнал синусоїдної форми в діапазоні частот 1 кГц...2 МГц дискретно через 1 кГц.
Рисунок 3 - Структура генератора з кварцовою стабілізацією частоти
Між двома сусідніми значеннями дискретних частот за допомогою інтерполяційного генератора G5 можна плавно змінювати частоту в межах ± 500Гц. Генератор складається з таких пристроїв: А — блока опорних частот; Б — блока гетеродина G1 з імпульсно-фазовим підстроюванням частоти в діапазоні 7,7...9,7 МГц; В—блока гетеродина G2 з імпульсно-фазовим підстроюванням частоти в діапазоні 9,7...9,75 МГц; Г—блока гетеродина G3 з імпульсно-фазовим підстроюванням частоти в діапазоні 200...250 кГц, сигнал якого використовується як опорний для фазового підстроювання частоти гетеродина G2; Д — вихідного блоку. Для плавної зміни частоти до складу приладу входить інтерполяційний генератор, який генерує сигнал з частотою 50 кГц± 500 Гц. Центральна частота інтерполяційного генератора перевіряється з частотою 50 кГц за допомогою спеціального індикатора UZ6 нульової різницевої частоти. Сигнал з частотою 50 кГц надходить через подільник частоти U1 від опорного генератора.
Вихідні частоти утворюються в результаті змішування сигналів гетеродинів G1 і G2 в частотному перетворювачі UZ7 і виділення різницевої частоти фільтром нижніх частот Z2 (ФНЧ). Гетеродин G1 синхронізується імпульсами з частотою 50 кГц, які надходять через подільник частоти 172 від опорного генератора з кварцовою стабілізацією частоти 10 МГц.
Гетеродин G2 також синхронізується сигналом опорного генератора, але через гетеродин G3, який, у свою чергу, синхронізується імпульсами з частотою 1 кГц з виходу подільника частоти. Опорний сигнал для фазового підстроювання частоти гетеродина G2 знімається з перетворювача частоти UZ5 через резонансний підсилювач С75. У перетворювачі додаються частоти гетеродина G3 та інтерполяційного генератора.
Таким чином, всі генератори стабілізуються за частотою сигналом опорного генератора з кварцовим резонатором. Це забезпечує високі метрологічні характеристики. Відносна похибка дискретних значень частоти не перевищує ±10-5.
Генератори синусоїдних сигналів високих частот призначені для створення синусоїдних або модульованих синусоїдних сигналів, параметри яких — частота, амплітуда та коефіцієнт модуляції — відомі із заздалегідь встановленою точністю і з можливістю їх зміни в заданих межах. Такі генератори призначені для налагодження та випробування радіоприймачів, підсилювачів, телевізійних пристроїв, ліній зв'язку та інших радіотехнічних пристроїв. Генератори сигналів високих частот працюють в діапазоні 50 кГц...50 МГц, тобто перекривають діапазон довгих, середніх та коротких хвиль. Коливальні контури виконуються на основі елементів із зосередженими параметрами. Щоб забезпечити перекриття всього діапазону, його поділяють на кілька під діапазонів, коефіцієнт перекриття кожного з яких не перевищує двох одиниць.
2 Аналіз вихідних даних та розробка структурної схеми генератора
Згідно із завданням, генератор, що розробляється повинен мати такі технічні характеристики:
- форма сигналів на виході – трикутна, прямокутна, синусоїдальна;
- діапазон частот генерації – 1…100 МГц;
- ручний ввід частоти ;
- індикація частоти генерації;
- похибка генерації частоти - до 1 %.
- вихідна напруга – до 5 В.
Сьогодні багато чого з імпортної елементної бази перестало бути дефіцитом. Такий генератор з мінімумом навісних елементів можна зібрати на основі однієї спеціалізованої мікросхеми.
Структурна схема однієї з мікросхем такого типу МАХ038 приведена на рисунку 4.
Вона містить генератор сигналів трикутної форми, формувач керуючого струму для генератора, джерело опорної напруги, перетворювач сигналів трикутної форми в синусоїдальну, формувач прямокутних імпульсів, мультиплексор і підсилювач. Крім того, у її склад входять формувач синхроімпульсів і фазовий детектор.
Частота генерації визначається ємністю конденсатора підключеного до входу генератора трикутних імпульсів. Крім того, частоту можна змінювати подачею напруги на регулюючий вхід генератора струму.
Подачею керуючих сигналів на керуючі
входи мультиплексора забезпечується
проходження через нього одного
із сигналів: синусоїдального, трикутного,
імпульсного чи прямокутного, Вихідний
підсилювач забезпечує стабільну амплітуду
сигналів різної форми при певному струмі
навантаження.
Очевидно, що керувати таким генератором найдоцільніше з персонального комп¢ютера, підключивши його через до однієї зі стандартних шин розширення.
Таким чином, використовуючи частину
чи усі вузли мікросхеми МАХ038 на
її основі можна створити структурну
схему функціонального генерато
До її складу входять такі структурні вузли:
- описані вище вузли спеціалізованої ВІС-генератора;
- системна шина ПК, через яку здійснюється керування генератором;
- цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), який керується цифровим кодом, пропорційним значенню частоти генератора;
- блок ємностей, комутацією яких можна міняти межі частоти генерації;
- програмований паралельний адаптер, який керуючись сигналами з системної шини, подає відповідний код на комутатор ємностей, ЦАП або мультиплексор ВІС.
Перемикання частотних діапазонів, форми вихідної напруги та зміна частоти здійснюється через ЦАП за допомогою ПК і керуючої програми.
3 Розробка функціональної схеми генератора
Функціональна схема генератора розроблена на основі структурної схеми та функціонального призначення ліній системного інтерфейса ПК.
На сьогоднішній день в ПК застосовуються, в основному, два типи шин розширення –ISA та РСІ. Остання є високопродуктивною шиною, підключення до якої представляє певні складнощі. Для генератора, що розробляється швидкодія не є визначним фактором. Тому доцільно застосувати в якості шини ПК – асинхронну шину ISA. ISA (Industry Standard Architecture) - шина розширення, що застосовувалася з перших моделей PC стала промисловим стандартом.
У комп'ютері XT застосовувалася шина з розрядністю даних 8 біт і адреси 20 біт. У комп'ютерах AT шину розширили до 16 біт даних і 24 біт адреси. У такому вигляді вона існує і понині як сама поширена шина для периферійних адаптерів.
Шина забезпечує своїм абонентам можливість відображення 8- або 16-бітних регістрів на простір вводу/виводу і пам'яті.
Діапазон адрес вводу/виводу зверху обмежений кількістю біт адреси, що використовуються для дешифрації, нижній кордон обмежений областю адрес 0 - FFh, зарезервованих під пристроїв системної плати. У PC була прийнята 10-бітна адресація введення/виведення, при якій лінії адреси А[15:10] пристроями ігнорувалися. Таким чином, діапазон адрес пристроїв шини ISA обмежується областю 100h - 3FFh
Типове підключення деякої функціональної мікросхеми (наприклад, i8255 — KP580BB55) до шини ISA, що добре ілюструє принципи з'єднання пристроїв мікропроцесорної техніки приведене на рисунку 5.
Рисунок 5 –Функціональна схема підключення мікросхеми i8255 (KP580BB55) до шини ISA
Для з'єднання зовнішнього пристрою з мікропроцесором завжди є шина даних (Data Bus), шина адреси (Address Bus) і шина керування (Control Bus).
Призначення шини даних зрозуміло з її назви. Пристрій, що підключається, звичайно має свій буфер даних. Цей буфер відкривається сигналом OE# (Output Enable — дозвіл виходу), якщо на шині адреси присутня адреса, що відноситься до діапазону пристрою, що підключається. «Черговим» напрямком передачі є напрямок від шини до пристрою, а переключення в зворотну сторону виробляється по сигналі IORD# шини керування.
Таким чином, буфер має право передавати дані на шину (керувати шиною даних) тільки під час дії сигналу читання, що відноситься до зони адрес даного пристрою. Якщо пристрій, що підключається, приписаний до простору пам'яті, то в логіці керування напрямком був би присутній сигнал MEMRD#.
Дешифратор адреси призначений для виявлення зони адрес, що відноситься до пристрою, що підключається. Якщо пристрою потрібно більш однієї адреси, молодші лінії адреси (у даному прикладі — А0 і А1), використовуються для декодування адреси усередині пристрою. Інші лінії надходять на вхід комбінаційної схеми (чи програмувальної логічної матриці), що формує сигнал звертання до пристрою, традиційно називаний CS# (Chip Select).
Шина керування в приведеній схемі представлена сигналами IORD# (читання порту), IOWR# (запис у порт) і AEN. Склад цих сигналів може бути розширений сигналами звертання до пам'яті MEMRD# і MEMWR#, а також сигналами запитів переривань, керування каналами прямого доступу і іншими.
Таким чином, підключення ВІС ППА до шини ISA реалізується описаним способом, за виключенням керуючого сигналу IORD# та буфера шини даних.
На рисунку 6 приведена функціональна схема ВІС МАХ038.
Рисунок 6 – Функціональна схема ВІС МАХ038
Вона містить генератор сигналів трикутної форми 1, формувач керуючого струму 2 для генератора, джерело опорної напруги 3, перетворювач 4 сигналів трикутної форми в синусоїдальну (з рівнем перекручувань не більш 0,75 %), компаратор 5, формуючий прямокутні імпульси (меандр), мультиплексор 6 і підсилювач 7 (з вихідним опором 0,1 Ом), Крім того, у її склад входять компаратор 8, формуючий синхроімпульси і фазовий детектор 9.
Частота генерації визначається ємністю конденсатора (від 20 пФ до сотень мікрофарад), підключеного до входу COSC і величиною струму (від 2 до 750 мкА) на вході ІІN, так що діапазон частот простирається від часток герца до 10…20 МГц. Крім того, частоту можна змінювати в межах ±70 % подачею на вхід FADJ напруги ± 2.4 В. При цьому шпаруватість імпульсів не змінюється. Подачею на вхід DADJ напруги ±2,3 В можна змінювати шпаруватість від 10 до 1,1, при цьому частота не змінюється.
Подачею керуючих сигналів з рівнями ТТЛ на входи А0, А1 мультиплексора забезпечується проходження через нього одного із сигналів: синусоїдального, трикутного, імпульсного чи прямокутного. Вихідний підсилювач забезпечує стабільну амплітуду сигналів різної форми (1 В) при струмі навантаження до ±20 мА.
4 Вибір елементної бази генератора
При розробці будь-якого
пристрою вибір елементної
Беручи до уваги, що вибір спеціалізованої ВІС-генератора був зроблений в попередньому підрозділі зупинимося на виборі інших ІС пристрою, а саме:
- ППА;
- ЦАП;
- комутатора;
- дешифратора адреси ППА.
Основним елементом схеми генератора є ВІС програмованого паралельного адаптера, в якості якої виберем ВІС КР580ВВ55, умовно-графічне зображення якої приведене на рисунку 6.
Рисунок 6 – УГЗ ВІС ППА КР580ВВ55
У ППА входять схема керування
вводом-виводом і
Таким чином, для комутації частотних діапазонів використаєм порт В ППА (біти [0-2] порта), для регулювання частоти – порт А (біти [0,1]), для перемикання форми вихідного сигналу – молодші біти порта С (біти РС0, РС1).
Наступним компонентом схеми генератора є цифро-аналоговий перетворювач, параметри якого визначають точність встановлення вихідної частоти.
ЦАП являє собою пристрій, з допомогою якого формується вихідний аналоговий сигнал А при дії на його входи цифрового коду D і зразкового сигналу Р, тобто А=Р*D.
Так як код D являє собою N-розрядне двійкове слово ( b12-1 + b22-2 + ... bn2-n ), то вихідний сигнал дорівнює :
А =P( b12-1 + b22-2 + ... + bi2-2 + ... +... bn2-n),
де коефіцієнти b1, b2, bi, bn дорівнюють 0 чи 1 взалежності від потрібного значення А.
Цифроаналоговий перетворювач, рисунок 7, складається з генераторів струму Go, G1, G2,..., Gn..., gn, які живляться від джерела опорної напруги UR (через перемикачі SWo, SW1, SW2,..., SWn,..., SWN і вимірювального перетворювача струм — напруга на операційному підсилювачі А1 з резистором R0 у колі зворотного зв'язку. Струм кожного наступного генератора струму вдвічі більший від струму попереднього генератора, тобто струми генераторів відповідають розрядам двійкової системи числення.
Рисунок 7 – Загальна структура ЦАП
Якщо на перемикач подати управляючий сигнал «логічна одиниця», то струм відповідного генератора спрямовується у шину додавання підсилювача А1, у випадку «логічний нуль» — на спільну шину. Сукупність сигналів керування перемикачами становить N — розрядне двійкове число.
Таким чином, вихідний сигнал Uвих перетворювача буде прямо пропорційний двійковому N-розрядному числу: Uвих = βn.
Резистори ЦАП включені за стандарною матричною схемою R-2R. Така матриця має таку властивість, що її опір праворуч від будь якої точки розгалуження дорівнює 2R, тому струми, що у двох сусідніх резисторах 2R, відрізняються у два рази, тобто І2=2І1, І3=2І2, …,І10=2І9 і т.д.
Згідно з описом ВІС МАХ380 ЦАП повинен мати діапазон вихідних напруг ± 2,4 В. Крок вихідної напруги визначає дискретність регулювання частоти. Приймемо дискретність частоти – 256. Отже, необхідно мати 256 значень вхідного цифрового коду. Крім того, даний ЦАП повинен забезпечувати похибку встановлення вихідної напруги, яка визначає стабільність частоти ± 0,5 %.
На сьогодніший час надзвичайно обширною є номенклатура ЦАП зарубіжних фірм. Одним з ведучих виробників цієї елементної бази є фірма. Advanced Technology. В таблиці 1 приведені параметри деяких ЦАП цього виробника.
Таблиця 1 - Параметри прецизійних ЦАП
Тип ЦАП |
Кількість ЦАП в корпусі |
Розрядність |
Формат вхідного коду |
Вихід |
Напруга живлення |
Рівень опорної напруги, В |
Тип корпусу |
AD7801 |
1 |
8 |
Параллельний |
напруга |
2.7...5.5 |
1.80 |
20-TSSOP |
AD5530 |
1 |
12 |
SPI |
біпол. напруга |
12/-12 |
4.25 |
16-TSSOP |
AD5553 |
1 |
14 |
SPI |
струм |
5 |
6.50 |
8-MSOP |
А05543 |
1 |
16 |
SPI |
струм |
5 |
9.94 |
8-MSOP |
AD7849 |
1 |
16 |
последоват. |
біпол. напруга |
5/15/-15 |
8.93 |
20-SOIC |
AD7302 |
1 |
8 |
параллельный |
біпол. напруга |
2.7...5.6 |
2.50 |
20-TSSOP |
AD5302 |
2 |
8 |
SPI |
напруга |
2.5...5.5 |
1.95 |
10-MSOP |
AD7303 |
2 |
8 |
последоват. |
напруга |
2.7...5.5 |
2.35 |
8-MSOP |
AD5313 |
2 |
10 |
SPI |
напруга |
2.5...5.5 |
2.85 |
16-TSSOP |
AD5323 |
2 |
12 |
SPI |
напруга |
2.5...5.5 |
4.50 |
16-TSSOP |
AD5304 |
4 |
8 |
SPI |
напруга |
2.5...5.5 |
2.95 |
10-MSOP |
AD5305 |
4 |
8 |
PC |
напруга |
2.5...5.5 |
2.95 |
10-MSOP |
AD5314 |
4 |
10 |
SPI |
напруга |
2.5...5.5 |
3.55 |
10-MSOP |
AD5583 |
4 |
10 |
параллельный |
біпол. напруга |
± 5 |
10.24 |
48-TSSOP |
Примітка: найнижча точність перетворення для даних ЦАП складає 0,1 % | |||||||
Аналіз параметрів ЦАП, приведених в таблиці 1 показує, що найдоцільнішим вибором буде ЦАП AD7302. Умовно-графічне зображення цього приладу приведене на рисунку 8.
Рисунок 8 – Умовно-графічне зображення ЦАП AD7302
До складу багатьох серій мікросхем входять ІС, призначені для замикання і розмикання певних електричних кіл з допомогою дискретних керуючих сигналів. На практиці широко застосовують ключі на біполярних транзисторах, виконаних у вигляді ІС серій К124, К162, К743, К435, КР590. Найкращі параметри мають аналогові мультиплексори серії КР590. Для реалізації комутатора на 8 входів застосуємо мікросхему КР590КН6, рисунок 9.
В таблиці 2 приведені основні параметри вибраного комутатора.
Таблиця 2 – Параметри комутатора КР590КН6
Параметр |
Значення параметру |
Напруга живлення, В |
± 5…±15 |
Опір відкритого ключа, Ом |
300 |
Час включення, нс |
300 |
Струм споживання, мА |
1 |
Рисунок 9 – Умовно-графічне зображення комутатора
В якості дешифратора адреси виберем ІМС типу К555ИД7, УГЗ якої приведене на рисунку 10.
Рисунок 10 – Умовно-графічне зображення дешифратора
Технічні характеристики всіх інтегральних мікросхем генератора приведені в таблиці 3.
Таблиця 3 – Параметри мікросхем генератора
Тип ІМС |
Параметр | |
Напруга живлення, В |
Струм споживання, мА | |
МАХ 038 |
+5 |
20 |
AD7302 |
+2,7…+5,6 |
12 |
КР580ВВ55 |
+5 |
120 |
К555ИД7 |
+5 |
10 |
К555ЛЛ1 |
+5 |
8 |
КР590КН2 |
±5…±12 |
1 |
- Генератор шума как средство защиты от несанкционированного съема информации («прослушки»)
- Генераторы импульсных сигналов
- Генераторы сигналов
- Генераторы случайных чисел
- Генераторы электрических сигналов
- Генерация и оценка идей в отрасли
- Генерация и построение изображений ландшафта в реальном времени
- Генератор последовательности чисел
- Генератор посылки
- Генератор сигналов специальной формы
- Генератор синусоидального напряжения
- Генератор синусоидальных колебаний
- Генератор тактовых импульсов
- Генератор телевизионных сигналов на базе МПС
