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 електровимірювальними  приладами. Цифровими називаються  прилади, що автоматично виробляють дискретні сигнали вимірювальної інформації, показники яких представлені у цифрові формі. В цифрових приладах у відповідності зі значенням вимірювальної величини утворюється код, а потім у відповідності з кодом вимірювана величина подається на індикаторному пристрої в цифровій формі.

 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 генератора, яка приведена в графічній частині курсового проекту.

 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.