Аннотация 

     Задачей данного курсового проекта будет  разработать цифровой генератор синусоидального сигнала.

     Пояснительная записка к курсовому проекту  состоит из теоретической и собственно проектной части. Теоретическая  часть включает в себя обзор способов формирования периодических сигналов, приведены конкретные схемы, описаны достоинства и недостатки каждого метод.

     Проектная часть содержит принципиальную схему  цифрового генератора с ее обоснованием и расчетом, а также результаты математического моделирования  узлов спроектированного устройства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение

      В данном курсовом проекте мы проектируем  генератор синусоидального напряжения. ГСН представляют собой устройства, предназначенные для преобразования энергии источников питания постоянного тока в энергию гармонического выходного сигнала напряжения (тока) требуемой амплитуды и частоты.

      Так как генератор сам является источником сигнала, он не имеет входа. Генераторы строятся на основе усилителей с цепями положительной обратной связи, которые  работают в режиме самовозбуждения  на фиксированной частоте. В качестве цепей обратной связи могут использоваться резонансные LC или RC схемы чему соответствует два типа генераторов. 
 

      1.Обзорная  часть

      1.1.Назначение  и область применения  электронного устройства.

      Генератор (от лат. generator — производитель) — устройство, аппарат или машина

      Генераторы сигналов — устройства вырабатывающие сигнал (в произвольной энергетической форме) с определёнными математическими свойствами (автогенератор, генератор синусоидальных колебаний, генератор импульсов, генератор шума и т. д.).

     Генератором синусоидального, или гармонического, напряжения (ГСН) называют электронное  устройство, преобразующее электрическую  энергию источника постоянного  тока в энергию незатухающих электрических  колебаний синусоидальной формы.

     Области применения:

• Устройства связи — радиоприемники (гетеродин в супергетеродинных радиоприёмниках), телевизионные приемники, мобильные телефоны, приёмопередатчики, аппаратура передачи данных и др.
• Измерительные приборы — осцилографы, измерительные вольтметры, амперметры и др.
• Медицинское оборудование — электрокардиографы, томографы, рентгенографы, электронные тонометры, аппараты для ультрозвукового исследования (УЗИ), физиотерапевтические приборы и др.
• Эхолоты.
• Бытовая техника — программируемые стиральные машины, СВЧ-печи, посудомоечные машины и др.

     Различают ГСНпо:

• Внешнему, или независимому, возбуждению.
• Самовозбуждению.

     ГСН с внешним возбуждением— это резонансные усилители, работающие в режиме больших амплитуд.

     ГСН с самовозбуждением, называемые обычно автогенераторами, представляют собой автономные электронные устройства, в которых генерирование электрических колебаний происходит благодаря выполнению условий самовозбуждения. Автогенераторы, как правило, применяются в качестве задающих генераторов, колебания которых могут использоваться для возбуждения следующего, более мощного каскада или генератора с внешним возбуждением.

     В зависимости от частоты генерируемых колебаний ГСН подразделяются на :

• низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц),
• высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц)
• сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц).

     Рисунок 1.1 Структурная схема автогенератора. 

     По  виду используемого в ГСН частотно-избирательного четырехполюсника различают:

• LC-генераторы синусоидального напряжения
• RC-генераторы синусоидального напряжения.

     Любой автогенератор электрических колебаний  представляет собой усилитель, охваченный цепью положительной обратной связи (рис. 1.1). При ПОСчасть выходного напряжения через цепь ПОС поступает на вход усилителя в фазе с входным напряжением, обеспечивающим заданное значение . Чтобы амплитуда выходного напряжения не изменилась, должно быть выполнено условие . Так как и , то из равенства следует 

     , или

     .     (1.1) 

     Уравнение (1.1) является условием существования в генераторе незатухающих электрических колебаний. Ему соответствуют два уравнения:  

     ,     (1.2) 

     отражающее баланс амплитуд в автогенераторе, и 

     ,    (1.3) 

     отражающее  баланс фаз, в котором п= 0, 1, 2, 3, …

     Уравнение (1.1) требует от усилителя такого коэффициента усиления, при котором полностью компенсируются потери напряжения, поступающего через цепь ПОС.

     Уравнение (1.3) определяет условие при котором в замкнутой системе (усилитель + цепь ПОС) обеспечивается ПОС.

     Следует отметить, что уравнение (1.2) справедливо для установившегося, или стационарного, режима работы автогенератора. При проектировании автогенератора должно быть выполнено условие . В этом случае при подаче на автогенератор напряжения питания любые сколь угодно малые напряжения на входе (например, напряжения шумов) будут вызывать возрастающие по амплитуде выходные напряжения. По мере увеличения вследствие нелинейности амплитудной характеристики усилителя его коэффициент усиления будет уменьшаться, и стационарное состояние установится при. В зависимости от вида амплитудной характеристики усилителя различают мягкий (рис. 1.2, а) и жесткий (рис. 1.2, 6) режимы самовозбуждения. На рис. 1.2 кривая отражает зависимость выходного напряжения усилителя от входного, поступившего по цепи ПОС, а прямая — зависимость входного напряжения усилителя от выходного. При мягком режиме самовозбуждения для возникновения электрических колебаний в генераторе необходимо и достаточно выполнение условий (1.2) и (1.3). При жестком режиме самовозбуждения, кроме этих условий, для возникновения колебаний в первоначальный момент на входе усилителя необходимо задать напряжение . 

     Рисунок 1.2. Амплитудные характеристики автогенератора с мягким (а) и жестким (б) режимами самовозбуждения 

     Для получения синусоидального выходного  напряжения необходимо, чтобы условия (1.2) и (1.3) выполнялись только для некоторой одной частоты. С этой целью цепь ПОС должна обладать избирательными свойствами. Такие свойства, как известно, имеют параллельный колебательный -контур (последовательный контур применяется очень редко) и -цепи.  

     LC-Автогенераторы

     Существует  множество схем -генераторов, которые отличаются между собой способами включения колебательного контура и создания ПОС. На рис. 1.3, а приведена схема автогенератора с индуктивной трансформаторной (схема Майсснера) ПОС. Скачки напряжения и тока, появляющиеся в контуре при подключении к генератору источника питанияЕ, через обмотку передаются в базовую цепь транзистора .Обмотка трансформатораТвключена таким образом, что возникающая при этом переменная составляющая коллекторного тока усиливает переменную составляющую контурного тока, т. е. за счет взаимоиндукции М между усилителем и колебательным контуром действует ПОС Конденсатор предотвращает протекание через контур постоянной составляющей коллекторного тока, а дроссель уменьшает шунтирование контура по переменному току внутренним сопротивлением источника питания . 

     Рисунок 1.3. Схемы транзисторных -автогенераторов с индуктивной трансформаторной (а) и автотрансформаторной (б) связью. 

     Баланс  амплитуд в автогенераторе с трансформаторной связью достигается выбором необходимого коэффициента взаимоиндукции М (т. е. числа витков катушки ), а баланс фаз правильным выбором концов катушки (при отсутствии генерации следует поменять концы катушки, подключаемые к базе транзистора и общей шине).

     Вместо  трансформаторной в автогенераторе может использоваться автотрансформаторная обратная связь (рис. 1.3, б). Такая схема называется трехточечной, так как колебательный контур подключается к усилителю тремя точками. Обобщенная трехточечная схема автогенератора по переменному току показана на рис. 1.4. Характер элементов , и колебательного контура определяется из условий баланса фаз и амплитуд. При этом возможны два случая:

     если  имеет индуктивный характер, то сумма реактивных сопротивлений и должна носить емкостный характер;

     если  имеет емкостный характер, то сумма реактивных сопротивлений и должна носить индуктивный характер.

     В обоих случаях сопротивление  суммы  должно равняться сопротивлению . 

     Рисунок 1.4. Обобщенная трехточечная схема автогенератора. 

     Характер  реактивности элемента , с которого снимается напряжение ОС, должен быть таким же, как и у элемента . Только в этом случае ОС будет положительной.

     Схему автогенератора, у которого и — индуктивные катушки, а — конденсатор, называют индуктивной трехточечной схемой, или индуктивной трехточкой (схемой Хартли). Схему автогенератора, у которого и — конденсаторы, а катушка индуктивности (рис. 1.5), называют емкостной трехточечной схемой, или емкостной трехточкой (схемой Колпитца).

     Во  всех рассмотренных типах автогенераторов  частота генерируемых колебаний  в основном определяется элементами контура  

     .     (1.4) 

     для автогенератора, выполненного по емкостной  трехточечной схеме, под следует понимать емкость  

     .

     Рисунок 1.5. Транзисторный -автогенератор, выполненный по схеме «емкостная трехточка» 

     Рисунок 1.6. Схема -автогенератора на ОУ. 

     Для построения -генераторов гармонических колебаний удобно использовать интегральные усилители: однокаскадные, дифференциальные, операционные и др. На рис. 1.6 показан вариант возможной реализации -генератора синусоидальных напряжений на интегральном ОУ. Колебательный контур включается между.выходом ОУ и неинвертирующим входом, обеспечивая нужную ПОС. В цепь ООС для стабилизации амплитуды, генерируемых колебаний включают терморезистор с отрицательным ТК. Увеличение амплитуды колебаний вызывает уменьшение сопротивления терморезистора. При этом увеличивается глубина ООС, приводящая к уменьшению амплитуды колебаний.  

     RC- Автогенераторы

     На  частотах менее 50 кГц вследствие увеличения требуемых значений иСувеличиваются размеры катушек и конденсаторов и одновременно ухудшается добротность колебательного контура и стабильность его параметров. Поэтому на низких частотах вместо -автогенераторов обычно используют -автогенераторы, которые в этом диапазоне частот, особенно в нижней его части, обладают существенными преимуществами.  

     Рисунок 1.7. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристика моста Вина, используемого в транзисторном -генератора (в). 

     На  рис. 1.7 а, б показаны передаточная (АЧХ) и фазо-частотная характеристики моста Вина.Из рисунка видно, что на некоторой частоте , называемой частотой квазирезонанса, коэффициент передачи моста Вина оказывается вещественной величиной с максимальным значением и нулевым фазовым сдвигом . Так как один каскад усиления вносит фазовый сдвиг , то для получения нулевого фазового сдвига на входе усилителя усилитель должен содержать четное число инвертирующих каскадов (рис. 1.7, в). Для выполнения условия баланса амплитуд (1.2) на частоте квазирезонанса усилитель должен иметь коэффициент усиления . Так как в двухкаскадном усилителе можно получить , то это позволяет ввести в усилитель, кроме положительной, отрицательную ОС, обеспечиваемую элементами и . Введение в цепь ООС терморезистора с отрицательным ТКR позволяет осуществить стабилизацию амплитуды генерируемых колебаний. Действительно, увеличение амплитуды, вызванное различными факторами, вызывает увеличение тока через резистор . При этом сопротивление его уменьшается, что приводит к увеличению напряжения ООС, создаваемого на, и уменьшению коэффициента усиления усилителя.

     Обычно  элементы моста Вина выбираются из условий:  

     ; . 

     При этом частота генерируемых колебаний  

                                   (1,5) 

     Однако  ввиду шунтирования резистора входным сопротивлением усилителя и делителем в цепи базы транзистора условие не выполняется. В результате генерируемая частота оказывается зависящей не только от значений элементов , , и , но и от параметров усилителя, а коэффициент усиления усилителя, при котором выполняется условие баланса амплитуд, может существенно превышать значение 3.

     -генератор  с мостом Вина легко выполнить  на интегральном ОУ, включив избирательный мост Вина между выходом и неинвертирующимвходом (рис. 1.8). С помощью переменного резистора можно изменять коэффициент усиления усилителя, добиваясь наименьших нелинейных искажений генерируемых колебаний.

     -генератор  с мостом Вина легко сделать  перестраиваемым по частоте. Для  этого вместо резисторов и следует использовать сдвоенный переменный резистор либо вместо конденсаторов и — сдвоенный блок конденсаторов переменной емкости. 

     Рисунок 1.8. Схема -генератора на ОУ с мостом Вина 

     Рисунок 1.9. Схема -генератора на ОУ с двойным Т-образным мостом. 

     В качестве избирательного четырехполюсника -генератора используются также Т-образный или двойной Т-образный мост. На квазирезонансной частоте коэффициент передачи двойного симметричного Т-образного моста равен нулю. Следовательно, нулю будет равен и фазовый сдвиг на этой частоте. При включении такого моста в цепь ООС усилителя на частоте напряжение ООС равно нулю и увеличивается по мере удаления частоты от квазирезонансной в ту или другую сторону. Следовательно, для построения -генератора с двойным Т-образным мостом мост необходимо включать в цепь ООС (рис. 1.9). С помощью делителя создается необходимая ООС, при которой обеспечивается генерация на частоте . Частота генерируемых колебаний определяется из выражения (1.5).  

Стабилизация  частоты колебанийавтогенератора

      На  частоту генерируемых колебаний  автогенератора, кроме параметров колебательного контура или другого фазирующего  четырехполюсника существенное влияние  оказывают параметры усилителя, зависящие в свою очередь от изменений  температуры окружающей среды, напряжений источников питания, атмосферного давления и влажности, нагрузки и т. п. Влияние  этих и других дестабилизирующих  факторов сказывается тем сильнее, чем меньше добротность колебательного контура или другого фазирующего  четырехполюсника.Для увеличения добротности избирательных систем применяют катушки индуктивности и конденсаторы с малыми сопротивлениями потерь, уменьшают шунтирование избирательных систем со стороны входа и выхода усилителя, используют параметрическую стабилизацию усилителя путем введения в него различных ООС и т. п. Этими способами удается получить относительную нестабильность частоты автогенератора . Однако наиболее эффективным способом стабилизации частоты автогенераторов является кварцевая стабилизация, когда в качестве колебательной системы используется кварцевый резонатор, или сокращенно — кварц, добротность которого достигает значения и более.

     Кварц по своим свойствам эквивалентен колебательному -контуру с высокой добротностью, и его можно представить электрической схемой, показанной на рис. 1.10, а. Значения элементов , , и определяются геометрическими размерами пластинки кварца и видом среза. Так, например, для кварца на 1,5 МГц мГн; пФ, Ом, а для кварца на 4 МГц мГн; пФ, , пФ. 

     Рисунок 1.10. Эквивалентная схема кварца (а), зависимость его реактивного сопротивления от частоты (б) и схема изменения реактивного сопротивления (в). 

     Из  характера изменения сопротивления кварцевого резонатора (рис.1.10, б) следует, что он имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса и частоту параллельного резонанса . При реактивное сопротивление кварца имеет индуктивный характер, а при и — емкостный. Частота последовательного резонанса определяется выражением  

     , 

     частота параллельного резонанса выражением  

     . 

     Так как , то из приведенный выражений следует: 

     . 

     Если  необходимо изменить частоту кварцевого резонатора в небольших пределах, то последовательно с ним включают подстроечный конденсатор, емкость которого значительно больше, чем (рис. 1.10, в).

     При кварцевой стабилизации частоты  возможно построение двух типов кварцевых  -генераторов: с -контуром и без -контура.

       В первом типе генераторов  кварцевый резонатор включают  в цепь обратной связи, а  основной колебательный контур  — в коллекторную цепь транзистора. Автогенератор в таком случае можно выполнять по схеме индуктивной (рис. 1.11, а) или емкостной (рис. 1.11, б) трехточки. Для выполнения условий самовозбуждения необходимо, чтобы резонансная частота колебательного контура равнялась частоте кварцевого резонатора или была кратна ей. В последнем случае генератор будет работать на соответствующей гармонике кварца. 

     Рисунок. 1.11. Схемы автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты. 

     На  рис. 1.12 показана схема кварцевого генератора на интегральном ОУ. В этом генераторе кварцевый резонатор, выполняющий роль параллельного колебательного контура с высокой добротностью, включен в цепь ПОС ОУ между подключенным к выходу ОУ делителем и неинвертирующим входом. Выполнение условия баланса амплитуд зависит от соотношения сопротивлений резисторов делителя и цепи ООС . 

     Рисунок. 1.12. Схема кварцевого автогенератора на ОУ. 

     Кварцевая стабилизация частоты транзисторных  автогенераторов позволяет уменьшить  относительную нестабильность частоты  генерируемых колебаний на 2 – 3 порядка  по сравнению с обычными генераторами. Для получения более высокой  стабилизации частоты применяют  различные методы термокомпенсации генераторов и их термостатирование.

Пример  ГСН марки SG-420 

Рисунок. 1.13. Генератор синусоидального напряжения SG-420

Основные  характеристики:

диапазон  генерируемых частот 0.001...50 кГц 

аг установки частоты 0.01 Гц

выходное  напряжение 0...10 В RMS

пределы аттенюатора 0, -20, -40, -60 дБ

минимальное сопротивление нагрузки 600 Ом

коэффициент гармоник на частоте 1 КГц < 0.1%

10 предустановок частоты

режим выключения сигнала  

 цифровая  калибровка частоты  

размеры 150 x 130 x 50 мм вес 0.4 кг цена 125 $

Описание  устройства

Генератор построен на основе прямого цифрового  синтезатора (DDS, DirectDigitalSynthesizer). Благодаря этому генератор имеет высокую стабильность выходной частоты, очень малый шаг перестройки и низкий коэффициент гармоник. Кроме того, генератор не имеет аномалий (колебаний амплитуды выходного сигнала) при перестройке частоты. Все это вместе с малыми габаритами и весом выгодно отличает данный генератор от обычных аналоговых генераторов.DDS реализован программно на микроконтроллере AT90S2313 фирмы "Atmel". Быстродействие этого контроллера достаточно, чтобы при тактовой частоте 10 МГц реализовать 28-разрядный накопитель фазы, работающий на частоте 250 кГц. При этом шаг перестройки частоты равен примерно 0.002 Гц. Реально используется шаг сетки 0.01 Гц, что более чем достаточно для практических нужд. В памяти микроконтроллера содержится таблица 1/4 периода синусоидального сигнала, адресуемая накопителем фазы. Формирование синусоидального напряжения производится с помощью ЦАП. Сформированный сигнал подвергается низкочастотной фильтрации с помощью фильтра Баттерворта 4-го порядка. Отфильтрованный сигнал поступает на выходной каскад, который обеспечивает работу на нагрузку 600 ом.Измеренная АЧХ генератора показана на рисунке ниже:

Рисунок 1.14 АЧХ генератора 

Управление  генератором осуществляется с помощью  нескольких меню, которые выводятся  на ЖКИ. Некоторые меню содержат цифровые значения параметров, другие меню позволяют  выбрать нужный режим работы. С  помощью системы меню можно задать частоту выходного сигнала генератора, считать или записать предустановку частоты, выключить или включить выходной сигнал, а также осуществить цифровую калибровку частоты.Генератор питается от сети 220 В переменного тока. 

     1.2.Программное  обеспечение для  компьютерного моделирования  схемных модулей. 

ElectronicsWorkbench

     ElectronicsWorkbench -электронная лаборатория на компьютере у Вас под рукой.

     Система схемотехнического моделирования  ElectronicsWorkbench предназначена для моделирования и анализа электрических схем.

     Программа ElectronicsWorkbench позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов. Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне значений.

Простые компоненты описываются набором  параметров, значения которых можно  изменять непосредственно с клавиатуры, активные элементы - моделью, представляющей собой совокупность параметров и  описывающей конкретный элемент  или его идеальное представление. Модель выбирается из списка библиотек  компонентов, параметры модели также  могут быть изменены пользователем.

     Широкий набор приборов позволяет производить  измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно. Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки. Программа ElectronicsWorkbench совместима с программой P-SPICE, то есть предоставляет возможность экспорта и импорта схем и результатов измерений в различные её версии.

Основные  достоинства

     Экономия  времени Работа в реальной лаборатории  требует больших временных затрат на подготовку эксперимента. Теперь, с  появлением ElectronicsWorkbenchMultisim, электронная лаборатория всегда будет под рукой, что позволяет сделать изучение электрических схем более доступным. Достоверность измерений. В природе не существует двух совершенно одинаковых элементов, то есть все реальные элементы имеют большой разброс значений, что приводит к погрешностям в ходе проведения эксперимента. В ElectronicsWorkbenchвсе элементы описываются строго установленными параметрам, поэтому каждый раз в ходе эксперимента будет повторяться результат, определяемый только параметрами элементов и алгоритмом расчета.

     Удобство  проведения измерений Учеба невозможна без ошибок, а ошибки в реальной лаборатории порой очень дорого обходятся экспериментатору. Работая с ElectronicsWorkbenchMultisim, экспериментатор застрахован от случайного поражения током, а приборы не выйдут из строя из-за неправильно собранной схемы. Благодаря этой программе в распоряжении пользователя имеется такой широкий набор приборов, который вряд ли будет доступен в реальной жизни.

     Таким образом, у Вас всегда имеется  уникальная возможность для планирования и проведения широкого спектра исследований электронных схем при минимальных  затратах времени. Графические возможности  Сложные схемы занимают достаточно много места, изображение при  этом стараются сделать более  плотным, что часто приводит к  ошибкам в подключении проводников  к элементам цепи. ElectronicsWorkbench позволяет разместить схему таким образом, чтобы были чётко видны все соединения элементов и одновременно вся схема целиком. Возможность изменения цвета проводников позволяет сделать схему более удобной для восприятия.

     Можно отображать различными цветами и  графики, что очень удобно при  одновременном исследовании нескольких зависимостей. Стандартный интерфейс  Windows Программа ElectronicsWorkbench использует стандартный интерфейс Windows, что значительно облегчает её использование. Интуитивность и простота интерфейса делают программу доступной любому, кто знаком с основами использования Windows. Совместимость с программой Р-SPICE Программа ElectronicsWorkbenchбазируется на стандартных элементах программы SPICE. Это позволяет экспортировать различные модели элементов и проводить обработку результатов, используя дополнительные возможности различных версий программы P-SPICE.

Для установки программы  необходимы

• IBM-совместимый компьютер с модификацией процессора не ниже 486;
• не менее 400 MB свободного пространства на жёстком диске;
• операционная система MicrosoftWindows 3. 1 или более поздние версии;
• манипулятор типа мышь.

Компоненты  и проведение экспериментов 

В библиотеки компонентов программы входят пассивные  элементы, транзисторы, управляемые  источники, управляемые ключи, гибридные  элементы, индикаторы, логические элементы, триггерные устройства, цифровые и аналоговые элементы, специальные комбинационные и последовательные схемы. Активные элементы могут быть представлены моделями как идеальных, так и реальных элементов. Возможно также создание своих моделей элементов и добавление их в библиотеки элементов. В программе используется большой набор приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, осциллограф, мультиметр, Боде-плоттер (графопостроитель частотных характеристик схем), функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь.