ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как определить диапазон голоса - ваш вокал

Игровые автоматы с быстрым выводом

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком"

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Как слышать голос Бога

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Разработка микропроцессорного управляемого генератора специальных сигналов

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР СПЕЦИАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

Вариант № 35

Выполнил:

ст. гр. ЭМ - 31

Попова О. В.

Принял:

Анкудинов В. Б.

Вологда

2007 г

Содержание

стр.

Введение

В настоящее время микропроцессоры нашли широкое применение в различных областях деятельности человека. Широкое использование микропроцес­соров обусловлено благодаря таким показателям как надежность и простота обслуживания систем, эффективность в решении различных задач. Микропроцессоры относительно дешевы, компактны, обладают программным управлением и отличаются высоким быстродействием. Такое сочетание свойств позволяет на единой технологической и схе­мотехнической базе, т.е. за счет программирования получить специа­лизированные вычислительные устройства пригодные для использо­вания в различных областях.

Существует множество типов микропроцессоров, но остаётся проблема их связи с аналоговыми объектами. Применение микропро­цессоров вызывает ряд проблем аналого-цифрового преобразования сигналов, поскольку сигналы, поступающие от аналоговых объектов важно обработать, преобразовать, нормализовать и т. д.

В целях обработки аналоговых и цифровых сигналов применяются такие микросхемы, как генераторы, усилители, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и др.

В данном курсовом проекте стоит задача проектирования микропроцессорного управляемого генератора специальных сигналов.

Далее будут исследованы существующие схемы реализации генераторов как аналоговых, так и цифровых. Также в курсовом проекте будут разработаны принципиальная и монтажная схемы, и сборочный чертеж генератора специальных сигналов при помощи системы автоматизированного проектирования P-CAD. Выполнена реализация управляющей программы системы и произведена оценка максимального отклонения от реального значения функции.

Аналитический обзор

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор. Кроме генераторов испытательных сигналов, выполняемых в виде отдельных изделий, источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых измерительных приборах, осциллографах, радиоприемниках, телевизорах, часах, ЭВМ и множестве других устройств.

1.1. Генераторы синусоидальных колебаний

Генераторы синусоидальных колебаний широко используются в разнообразных электронных устройствах в качестве источников сигналов самых различных частот.

Синусоидальные колебания, в общем случае, возникают в системах с критической положительной обратной связью и этот эффект используется при построении генераторов на базе усилителей, охваченных цепью частотно-зависимой положительной обратной связи. Другой путь построения генераторов синусоидальных колебаний основан на использовании приборов с отрицательным сопротивлением для компенсации потерь, возникающих в обычном колебательном контуре. На практике в качестве таких приборов применяются главным образом туннельные диоды.

Обычно схемы с операционными усилителями используются для генерирования колебаний сравнительно низких частот (до 10 МГц), а схемы с туннельными диодами, наоборот, высоких (до 100 ГГц). Важной особенностью генераторов на туннельных диодах, кроме того, является простота схемы, малые габариты и высокая экономичность.

Рассмотрим принцип построения генераторов с использованием операционного усилителя. На рис. 1.1 показана блок-схема генератора.

Рис. 1.1 – Блок – схема генератора

Коэффициент усиления усилителя К_U, тогда коэффициент усиления системы с положительной ОС (обратной связью) где β – передача ОС.

Т. о., если петлевая передача ( ) будет стремиться к единице, то знаменатель будет стремиться к нулю, а - к бесконечности. Т. е. для существования реакции не требуется воздействия. Основное условие генерации примет вид:

. (1.1)

Условие (1.1) можно представить в виде двух условий:

1) условие баланса амплитуд (петлевая передача равна единице, нет потерь) ;

2) условие баланса фаз (суммарный фазовый сдвиг отсутствует) .

Данные условия нужно выполнять точно.

Также не нужно забывать, что все переменные функции частоты. Поэтому, если оба условия выполняются на одной частоте, система генерирует именно гармонический сигнал, а если на нескольких частотах, то форма сигнала будет более сложной.

Рассмотрим простейший генератор гармонических колебаний. На рис. 1.2 показана принципиальная электрическая схема генератора синусоидальных колебаний, выполненная на основе интегрального операционного усилителя К553УД2.

Рис.1.2 - Принципиальная электрическая схема генератора синусоидальных колебаний

На схеме рис. 1.2 условия баланса амплитуд и баланса фаз выполняются за счет охвата операционного усилителя цепью положительной обратной связи, которая представляет собой мост Вина. В эту цепь входят элементы C1, C2, R΄3 и R΄΄3. Выход цепи обратной связи (выход моста Вина) подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя. На рис. 1.3 показана зависимость модуля коэффициента передачи моста Вина и фазы от частоты.

Рис.1.3 - Зависимость модуля коэффициента передачи и фазы от частоты

На частоте фазовый сдвиг равен нулю, а передача имеет максимальное значение .

Величина петлевого усиления устанавливается цепью отрицательной обратной связи, в которую входят элементы R1, R2, VD1 и VD2. При этом усиление операционного усилителя от его неинвертирующего входа до выхода при малых сигналах (пока еще закрыты диоды VD1, VD2) можно определить так:

. (1.2)

Амплитуда выходного напряжения в данной схеме определяется напряжением отпирания диодов цепи обратной связи, которые обеспечивают автоматическое уменьшение передачи неинвертирующего усилителя при увеличении амплитуды сигнала (за счет частичного шунтирования резистора R2 диодами VD1, VD2).

Повысить амплитуду выходного сигнала рассматриваемого генератора без существенного искажения формы синусоиды можно различными способами, например, последовательно с параллельно соединенными R2, VD1, VD2 можно включить дополнительное сопротивление, можно также заменить параллельно включенные диоды одним симметричным стабилитроном или стабилитронами, включенными встречно.

Гармонические колебания можно также получить, используя туннельный диод. Схема генератора на туннельном диоде показана на рис. 1.4.

Рис.1.4 – Схема генератора на туннельном диоде

Туннельный диод VD3 типа АИ301А включен последовательно с колебательным контуром L1C4, причем с помощью переключателя S2 можно выбрать коэффи­циент включения контура или 1 (полное включение) или 0,2 (частичное включение). Постоянное питающее напряжение можно менять при помощи делителя R4.

На рис.1.5 показана вольтамперная характеристика туннельного диода, особенностью которой является падающий участок, на котором сопротивление прибора отрицательно и по модулю примерно равно котангенсу угла наклона линии АВ, т.е. .

Рис.1.5 - Вольтамперная характеристика туннельного диода

В схемах с туннельным диодом возникают условия генерации, если, во-первых, рабочая точка выбрана на "падающем" участке характеристики, и, во-вторых, сопротивление внешней цепи по переменному току (в нашем случае это резонансное сопротивление контура) R~ больше |Rg|. При этом, чтобы сохранить устойчивость по постоянному току, необходимо выполнить условие Ro<|Rg|, где Ro - сопротивление цепи по постоянномутоку.

Сказанное иллюстрируется двумя линиями нагрузки на рис.1.5 - это линия нагрузки по постоянному току EF (R₀=ctg ) и линия нагрузки по переменному току СD (R~=ctg ), причем пересечение этих линий - это рабочая точка G, которая находится на падающем участке и, кроме того, ctg > ctg > ctg , что и требуется для возникновения генерации в данной схеме. Смещать положение рабочей точки G можно за счет изменения напряжения U₀ (при этом линия EF перемещается параллельно самой себе). Разумеется, что самовозбуждение будет возникать только в том случае, если эта точка находится на падающем участке вольтамперной характеристики диода. Форма, частота и амплитуда автоколебаний в данной схеме зависит сразу от ряда факторов - при небольших коэффициентах включения колебательного контура частота колебаний определяется параметрами колебательного контура и ориентировочно равна , а при полном включении контура она сильно зависит от U_о. Форма автоколебаний при полном включении контура резко отличается от синусоидальной, а амплитуда сравнительно мала (что объясняется сильным шунтированием контура низкоомной цепью с диодом), а при частичном включении контура колебания становятся значительно лучше по форме и, кроме того, увеличивается амплитуда колебаний в контуре.

Работа генераторов с туннельными диодами характеризуется гистерезисными явлениями, которые иллюстрируются графиком зависимости выходного напряжения генератора от напряжения питания U_о (рис.1.6), из которого видно, что срыв и возникновение колебаний при увеличении и при уменьшении U_о происходит при различных по величине напряжениях питания U_о.

Рис.1.6 - График зависимости выходного напряжения генератора от напряжения питания U_о

1.2. Импульсные генераторы

Генераторы импульсов являются релаксационными устройствами. Это означает, что внутри системы изменения происходят плавно, а снаружи – скачком.

Для получения колебаний, характеризующихся наличием участков со скачкообразным изменением напряжений, например, колебаний прямоугольной формы, применяются релаксационные генераторы, действие которых основано на использовании усилителей с положительной обратной связью или приборов с отрицательным сопротивлением, например, туннельных диодов или тиристоров.

В релаксационных генераторах число устойчивых состояний не превышает одного. Кроме того, релаксационные генераторы обладают так называемыми состояниями квазиравновесия, которые характеризуются сравнительно медленным изменением токов и напряжений, приводящих к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода релаксационного генератора из одного состояния в другое.

Релаксационные генераторы могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем и в режиме синхронизации.

В автоколебательном режиме состояния устойчивого равновесия нет, а существует два чередующихся состояния квазиравновесия.

Период колебаний определяется параметрами генератора. В ждущем режиме релаксационный генератор имеет состояние, устойчивого равновесия и состояние квазиравновесия. Переход из устойчивого состояния в состояние квазиравновесия происходит в результате воздействия внешнего запускающего импульса, a в устойчивое состояние схема возвращается самостоятельно по истечении некоторого времени, зависящего от параметров этой схемы. Таким образом, в ждущем режиме после запуска генерируется только один импульс.

В режиме синхронизации на релаксационный генератор воздействует внешнее синхронизирующее напряжение. При этом так же, как и в режиме автоколебаний, имеется два чередующихся состояния квазиравновесия, но период колебания равен или кратен периоду синхронизирующего напряжения. Если отключить внешнее синхронизирующее напряжение, то установится режим автоколебаний.

1.2.1. Релаксационные генераторы на операционном усилителе

Рассмотрим релаксационный генератор, схема которого выполнена на базе интегрального операционного усилителя. Данный генератор может работать в двух режимах: автоколебательном и ждущем.

1.2.1.1. Автоколебательный режим

Схема генератора прямоугольных импульсов на операционном усилителе показана на рис. 1.7 (элементы, показанные пунктиром, в схему не входят, переключатель S1 в положении 1).

Рис. 1.7 - Схема генератора прямоугольных импульсов на операционном усилителе

Такие генераторы называют автоколебательными мультивибраторами или просто мультивибраторами. Выходное напряжение схемы ограничено при помощи параметрического стабилизатора, состоящего из гасящего резистора r₃ , выпрямителя на диодах V₄-V₇ и стабилитрона V₈ (KC168A) на уровнях +U_O и -U_O, как показано на временной диаграмме рис. 1.8.

Рис. 1.8 – Временная диаграмма работы генератора прямоугольных импульсов в автоколебательном режиме

Элементы R и С образуют интегрирующую цепочку и задают период автоколебаний. Операционный усилитель А1 (К553УД2) выполняет функции элемента сравнения и элемента памяти знака разности напряжений на конденсаторе С и на выходе цепи положительной обратной связи U_{вых пос} = ±bU₀ , т.е. операционный усилитель работает в режиме триггера Шмитта. Необходимая положительная обратная связь создается подачей части выходного напряжения с движка переменного резистора R4 на неинвертирующий вход операционного усилителя.

Для анализа схемы положим, что

Тогда .

Допустим, что напряжение на выходе в предшествующий момент было отрицательным и что напряжение на конденсаторе С только что достигло значения -bU₀. Когда напряжение U_C станет более отрицательным, чем -bU₀, операционный усилитель скачком перейдет из состояния насыщения на отрицательном уровне -U₀ к насыщению на положительном уровне +U₀. Операционный усилитель будет оставаться насыщенным на этом положительном уровне, потому что напряжение U_{вых пос} теперь положительно. Когда же U_C станет равным +bU₀, снова произойдет изменение полярности. В соответствии с временной диаграммой (рис. 1.8) можно написать выражение для напряжения на конденсаторе в интервале времени t от 0 до Т/2:

(1.3)

Учитывая, что в момент времени t =T/2 ,

из уравнения (1.3) определим период Т:

. (1.4)

1.2.1.2. Ждущий режим

Генератор, схема которого показана на рис. 1.7, переходит в ждущий режим, если в схему добавляются элементы, показанные пунктиром V1, V2, и R1 (переключатель в положении 2). Такие генераторы называются ждущими мультивибраторами или одновибраторами.

Временная диаграмма работы схемы приведена на рис. 1.9.

Рис. 1.9 - Временная диаграмма работы генератора прямоугольных импульсов в ждущем режиме

Очевидно, что в устойчивом состоянии выходное напряжение схемы равно U₀, а напряжение на конденсаторе фиксируется диодом V₁ на уровне U_V1 @ +0,3 В. Отрицательный запускающий импульс U_З (сформированный из входного сигнала U_ВХ с помощью дифференцирующей цепочки R2C1 и диода V₃ ) с амплитудой более, чем -bU₀, вызовет скачкообразное изменение выходного напряжения к отрицательному уровню -U₀. После этого конденсатор начинает заряжаться до напряжения -U₀ через резистор R, но когда напряжение становится более отрицательным, чем -bU₀, выходное напряжение снова скачкообразно возвращается к уровню +U_o . На этом заканчивается процесс генерации одного импульса. Теперь конденсатор C заряжается через параллельное соединение и подготавливается к следующему циклу. При R1<<R2 время восстановления t_B может быть много меньше длительности выходного импульса.

Выражение для напряжения на конденсаторе во время формирования импульса в соответствии с временной диаграммой (рис. 1.9) имеет вид:

(1.5)

Учитывая, что в момент времени t=T_и напряжение U_C(T_И)= -bU₀ , можно из (1.5) найти длительность импульса T_И:

(1.6)

Время восстановления одновибратора:

. (1.7)

1.2.1.3. Генератор прямоугольных и треугольных импульсов

Как видно из диаграммы на рис. 1.8, в схеме мультивибратора формируется напряжение не только прямоугольной формы, но и формы, близкой к треугольной (на конденсаторе). Времязадающая RC-цепь мультивибратора выполняет приближенное интегрирование выходных прямоугольных колебаний. Заменив эту цепь интегратором на ОУ, получим генератор, на одном из выходов которого формируются прямоугольные, а на другом – треугольные колебания (рис. 1.10). Здесь на усилителе ОУ1 выполнен неинвертирующий триггер Шмитта, а на ОУ2 – интегратор.

Рис. 1.10 - Схема генератора прямоугольных и треугольных колебаний

Интегратор интегрирует постоянное напряжение, имеющееся на выходе триггера Шмитта. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на его выходе U₁ скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера Шмитта. Изменяя постоянную интегрирования RC, можно перестраивать частоту формируемого напряжения в широком диапазоне. Амплитуда треугольного напряжения U₂ зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта U_П, который для данной схемы включения триггера составляет U_МR₁ /R₂ (U_М – напряжение насыщения ОУ).

Период колебаний генератора равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменилось от –U_п до +U_п. Отсюда следует, что

. (1.8)

Таким образом, исходя из (1.8), частота формируемого напряжения не зависит от уровня напряжения насыщения операционного усилителя.

1.2.2. Импульсные генераторы на транзисторах

Основным элементом данных генераторов является транзистор, используемый в качестве ключевого элемента. С его помощью осуществляется включение, переключение и выключение электрических цепей генератора.

Из возможных способов включения транзистора в ключевых схемах используется, как правило, схема с общим эмиттером. Эта схема, обладая коэффициентом усиления напряжения, почти равным коэффициенту усиления схемы с общей базой, имеет по сравнению с последней значительно большее входное сопротивление (единицы килом для маломощных транзисторов) и значительно меньшее выходное сопротивление (десятки килом для маломощных транзисторов). Большое входное и малое выходное сопротивления схемы с общим эмиттером позволяют значительно проще осуществлять согласование импульсных схем на ключевых каскадах между собой[1].

Рассмотрим некоторые принципиальные схемы генераторов на транзисторах.

Рассмотрим мультивибратор с коллекторно-базовыми емкостными связями в автоколебательном режиме. Схема данного мультивибратора приведена на рис. 1.11.

Рис. 1.11 – Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями в автоколебательном режиме [1]

На рис. 1.12приведены временные диаграммы, поясняющие ее работу.

Рис. 1.12 – Временные диаграммы работы мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями в автоколебательном режиме [1]

Так как описание принципа действия автоколебательной схемы удобно начать с любого момента, то начнем рассмотрение с момента, принятого за нуль навременных диаграммах, когда транзистор Т₂ открыт и насыщен, а транзистор Т₁ закрыт. Закрытое состояние транзистора Т₁ поддерживается напряжением на конденсаторе С₁,приложенным между базой и эмиттером Т₁ плюсом к базе (открытый насыщенный транзисторТ₂ можно счи­тать замкнутым ключом). Напряжение на коллекторе запертого транзистора и_к1 = - (Е_К - I_К0R_К) -Е_К;напряжение наколлекторе открытого насыщенного вто­рого транзистора и_к2 =U_{К. Н.} 0; положительное на­пряжение на базе первого транзистора и_б1 уменьшается по экспоненциальному закону вследствие разряда кон­денсатора С₁ с постоянной времени R₁C₁. В момент достижениянапряжением на базе и_б1 нулевого значения (см. момент t₁ на временной диаграмме и_б1(t) рис.1.12) первый транзистор открывается. Появившийся коллекторный ток первого транзистора i_К1 создает на сопротивлении R_K1 падение напряжения. Напряжениена коллекторе первого транзистораповышается. Так как конденсаторС₂ не может мгновенно перезарядиться, то повышение потенциала на его левой обкладке относительно корпуса (u_к1) равно повышению потенциала на правой обкладке относительно корпуса (u_б2). Повышение потенциалабазы второго транзистора приводит к уменьшениюколлекторного тока i_к2 транзистора Т₂. При этом понижается потенциал коллектора второго транзистора; отрицательный перепад напряжения с коллектора второго транзистора через емкость С₁ передаетсяна базу первого транзистора.

Развивается лавинообразный процесс, заканчивающийся закрыванием транзистора Т₂ и насыщением транзистора Т₁.

Как только транзистор Т₂ закроется и потенциал его коллектора понизится, т. е. уменьшится потенциал правой обкладки конденсатора С₁, начнется заряд конденсатора С_1. В течение протекания зарядного тока по сопротивлению R_K2 потенциал коллектора второго транзистора и_к2 определяется выражением и_к2 = — (Е_к — i_зарR_K2).

Время восстановления:

. (1.9)

В течение времени t_в2 базовый ток транзистора определяется выражением:

. (1.10)

Максимальное значение базового тока можно определить следующим образом:

. (1.11)

Закон изменения напряжения на базе второго транзистора имеет вид:

(1.12)

Тогда длительность периода автоколебаний

, (1.13)

где

е₀ – напряжение отсечки входных характеристик.

Также на транзисторах можно построить ждущие мультивибраторы (например, мультивибратор с коллекторно-базовыми связями).

В качестве импульсных генераторов на транзисторах можно использовать симметричные триггеры. Это мультивибраторы с двумя устойчивыми состояниями равновесия, в которых переход схемы из одного устойчивого состояния в другое осуществляется входным пусковым импульсом.

На транзисторах можно построить генераторы пилообразного напряжения, фантастроны, блокинг-генераторы и др.

Фантастрон является генератором прямоугольных и пилообразных импульсов. Запускаясь кратковременным входным импульсом, ждущий фантастрон генерирует импульс, длительность которого может в широких пределах изменяться путем изменения параметров и режима работы генератора.

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный релаксационный генератор с сильной положительной обратной связью, осуществляемой с помощью импульсного трансформатора. Блокинг-генераторы используются для генерирования прямоугольных импульсов с амплитудой, примерно равной напряжению источника питания, а при использовании повышающей нагрузочной обмотки импульсного трансформатора – повышающей это напряжение. Длительность генерируемых импульсов лежит в пределах: десятки наносекунд – сотни микросекунд. Импульсы генерируются со скважностью от нескольких единиц до нескольких сотен. Используются автоколебательный и ждущий режимы работы.

1.2.3. Функциональные генераторы

Блок-схема простейшего функционального генератора приведена на рис. 1.13. Он включает генератор прямоугольного и треугольного напряжения и блок формирования синусоидального сигнала.

Рис. 1.13 - Блок-схема функционального генератора

Как показано на рис. 1.13, генератор прямоугольного и треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта и интегратора, образующих замкнутый контур. Блок формирования синусоидального сигнала обычно представляет собой нелинейный функциональный преобразователь, например, на основе аналогового перемножителя. Если частота генератора постоянна, то в качестве блока формирования синусоидального сигнала можно использовать также фильтр нижних частот с полосой пропускания несколько выше частоты требуемого синусоидального сигнала.

Функциональные генераторы производятся некоторыми фирмами в виде ИМС. Например, микросхема МАХ038 генерирует синусоидальные, треугольные, прямоугольные и импульсные сигналы в области частот от 0,1 Гц до 20 МГц, причем синусоидальные сигналы имеют коэффициент гармоник не более 0,75%. Лучшие результаты дает применение прямого цифрового синтеза с использованием цифро-аналоговых преобразователей.

Генератор импульсов можно собрать на элементах задержки и логических элементах, а точнее с использованием микросхем логики. Рассмотрим генератор на двух инверторах, который иначе называется несимметричным мультивибратором. Его схема показана на рис. 1.13.

Рис. 1.13 – Схема несимметричного мультивибратора [3]

В этой схеме резистор R вводит в режим усиления первый инвертор, а выходное напряжение этого инвертора удерживает в режиме усиления второй инвертор. Положительная обратная связь осуществляется через конденсатор С. Для схемы характерно, что генератор обладает "мягким", т. е. не нуждающимся в первоначальном "толчке", самовозбуждением. Это означает, что как бы медленно не увеличивалось напряжение питания, генератор всё равно заработает.

Частоту генерации можно определить по формуле:

f=1/2RC (1.14)

Вообще же частота генерации сильно зависит от напряжения источника питания и некоторых других факторов. Поэтому формула дает лишь приближенное значение (примерно ±10%). Кроме того, существует и другая формула для расчета частоты следования импульсов:

f≈0.5/RC (1.15)

Вместо инверторов можно использовать логические элементы И-НЕ или ИЛИ-НЕ, соединив их выводы соответствующим образом.

Для получения импульсных последовательностей с высокой стабильностью частоты применяют, как правило, генераторы с кварцевыми резонаторами, для которых даже без применения специальных мер нетрудно получить стабильность частоты с отклонениями порядка 10^-5 или даже еще меньше.

Для синхронизации работы сложных устройств зачастую недостаточно иметь одну синхропоследовательность, в частности, вырабатываемую кварцевым генератором. Могут потребоваться две сдвинутые по фазе последовательности или несколько последовательностей с заданной относительной длительностью импульсов. В этом случае стабилизированная по частоте синхропоследовательность задающего генератора (обычно кварцевого) служит основой для генерации требуемого набора синхросигналов.

1.3. Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) являются широко известными устройствами импульсной техники. На базе ГЛИН с учетом используемых в них принципов повышения линейности сигнала проектируются схемы генераторов импульсов сложной формы с линейно изменяющимся участком. Они находят применение в модуляторах, различного рода преобразователях сигналов и в измерительной технике, использующей импульсное питание датчиков [2].

ГЛИН представляют собой электронные устройства, выходное напряжение которых в течение некоторого времени изменяется по линейному закону. Часто такое напряжение меняется периодически. В этом случае ГЛИН называется генератором пилообразного напряжения (ГПН) или генератором напряжения треугольной формы (рис. 1.14 и рис. 1.15).

Рис. 1.14 – Пилообразное напряжение

Рис. 1.15 – Напряжение треугольной формы

Если напряжение меняется от минимального значения к максимальному (по абсолютной величине), то его называют линейно-нарастающим напряжением (рис. 1.16). Если меняется от максимального значения к минимальному - линейно-падающим (рис. 1.17).

Рис. 1.16 - Линейно изменяющееся нарастающее напряжение

Рис. 1.17 - Линейно изменяющееся падающее напряжение

На рис 1.16 обозначено:

t _р.х. - длительность рабочего хода;

t _о.х. – длительность обратного хода;

U_max - амплитуда.

По режиму работы ГЛИН подразделяются на ждущие с внешним запуском, автоколебательные (в том числе синхронизированные) и ждущие с самовозбуждением, вырабатывающие импульс ЛИН заданной длительности в ответ на импульс запуска.

ГЛИН строятся на принципе заряда и разряда конденсатора. Схема простейшего ГПН, работающего по принципу заряда конденсатора, показана на рис. 1.18.

Рис. 1.18 – Схема ГПН, работающего по принципу заряда конденсатора

Она состоит из времязадающего конденсатора С, резистора R_к и транзисторного ключа VT1. На вход транзисторного ключа подается последовательность прямоугольных импульсов с заданным интервалом между импульсами и длительностью (рис. 1.19).

Рис. 1.19 – График зависимости напряжения на входе схемы и на конденсаторе С от времени

Когда на базе транзистора нулевое напряжение (промежуток времени между импульсами), транзистор закрыт и происходит заряд конденсатора через резистор R_к. Если постоянная времени цепи R_кC достаточно большая, т.е. существенно больше периода следования прямоугольных импульсов, напряжение на конденсаторе нарастает линейно. Заряд конденсатора продолжается до поступления импульса, открывающего транзистор VT1. Когда транзистор открывается, начинается процесс разряда конденсатора. Интервал времени между отпирающими импульсами должен быть достаточным для полного разряда конденсатора С.

Напряжение на конденсаторе изменяется по закону:

, (1.16)

где

t = RC - постоянная времени цепи, состоящей из R_к и С;

t - текущее значение времени (когда t=0, U_с = Е_п(1- 1) = 0).

Известно, что функцию е^х можно представить в виде степенного ряда:

.

Для значений Х<<1 функцию можно определить первыми двумя членами ряда:

е^х = 1+Х,

тогда, используя это выражение для случая заряда конденсатора при t<<t, определяем напряжение на конденсаторе:

U_c = E_п(1- , (1.17)

где t/t <<1.

Очевидно, что в случае использования этого процесса в ГПН, t = t_и = t_зар; t = R_к С, тогда

. (1.18)

Линейно изменяющееся напряжение U_c (t) характеризуется рядом параметров:

- длительностью прямого (рабочего) хода t_пр, т.е. временем, в течение которого конденсатор заряжается через сопротивление R_к до напряжения U_c;

- длительностью обратного хода t_o (время восстановления) - это время, в течение которого происходит разряд конденсатора;

- периодом повторения линейно изменяющегося напряжения (пилообразных импульсов) T = t_o + t_пр;

- амплитудой пилообразных импульсов U_m;

- коэффициентом нелинейности g.

Одним из самых важных параметров ГЛИН являетсякоэффициент нелинейности. Для определения g воспользуемся известным утверждением, что линейная функция характеризуется постоянством производной во всех её точках, поэтому отклонение от линейного закона можно оценить коэффициентом нелинейности. Нелинейность определяется максимальным отклонением реальной формы сигнала от идеальной линейной формы. Коэффициент нелинейности находят как отношение изменений производных функции в начале и в конце процесса нарастания:

. (1.19)

Учитывая, что dU_c/dt = i_c/C, где i_c - ток заряда конденсатора, можно получить удобное для расчетов выражение:

, (1.20)

где

i_н - ток заряда конденсатора в начале процесса (импульса);

i_к - ток заряда к моменту окончания импульса.

Если пренебречь обратным током транзистора и током утечки конденсатора, i_н можно определить как :

i_н = Е_п / R_к. (1.21)

В конце импульса напряжение, заряжающее конденсатор С, будет меньше напряжения источника питания на величину U_m, следовательно, ток в конце будет определяться как :

i_к = (Е_п - U_m) / R_к. (1.22)

Так как при t_пр <<t U_m = U_c = E_п t_пр/ RC, окончательное выражение коэффициента нелинейности будет иметь вид:

. (1.23)

Простейший генератор линейного напряжения характеризуется также коэффициентом использования напряжения источника питания

x = U_m / E_п. (1.24)

Если подставить значение U_m в выражение для коэффициента использования напряжения источника питания, получим:

x = . (1.25)

Из полученного выражения для коэффициента нелинейности следует, что чем лучше линейность пилообразного напряжения, тем меньше амплитуда напряжения ГЛИН. Например, если напряжение источника питания 10 В, для получения коэффициента нелинейности g = 1 % амплитуда напряжения импульсов ГПН не должна превышать 0,1 В.

Для повышения коэффициента использования напряжения питания при малых значениях коэффициента нелинейности применяются стабилизаторы постоянного тока (ГСТ). Действительно, из выражения для g видно, что при обеспечении постоянства тока заряда (для линейно падающего напряжения - тока разряда) i_н = i_к, следовательно, g®0.

Схема простого генератора пилообразного напряжения со стабилизатором тока в цепи разряда конденсатора показана на рис. 1.20.

Рис. 1.20 – Генератор пилообразного напряжения со стабилизатором тока в цепи разряда конденсатора

Заряд конденсатора осуществляется через транзистор VT1 и сопротивление R_к. За время заряда напряжение на конденсаторе достигает практически напряжения источника питания. Когда приходит на базу транзисторов нулевой уровень, первый транзистор закрывается, а транзистор VT2 переходит в режим генератора стабильного тока (ГСТ) и через него протекает стабильный постоянный ток разряда конденсатора (рис. 1.21).

Рис. 1.21 - График зависимости напряжения на входе схемы и на конденсаторе С от времени

При определении коэффициента нелинейности импульсов этого генератора пилообразного напряжения необходимо учитывать влияние сопротивления нагрузки R_н на процесс разряда конденсатора. Ток через сопротивление нагрузки обусловлен напряжением на конденсаторе и в конце разряда он равен нулю, так как к концу разряда U_c = 0. С учетом высказанных соображений можно получить выражение для коэффициента нелинейности ГПН с генератором стабильного тока:

.

Из полученного выражения следует, что для уменьшения g желательно использовать высокоомные нагрузки или же уменьшать амплитуду импульса сигнала.

1.4. Цифровые генераторы

В современной схемотехнике все чаще используют цифровые методы формирования сигналов заданной формы. Это позволяет получать высокую стабильность частоты, фазы и амплитуды генерируемых колебаний. Рассматриваемые ниже генераторы синусоидальных и пилообразных колебаний могут оказаться полезными при конструировании измерителей амплитудных, амплитудно-частотных и вольтамперных характеристик, в генераторах для питания электродвигателей и формирователях сигнала радиоуправления.

Устройство, схема которого приведена на рис. 1.22, генерирует колебания близкой к синусоидальной формы (рис.1.23), однако изменением сопротивлений резисторов R1 - R8 можно получить и любую другую форму выходного сигнала.

Рис. 1.22 – Цифровой генератор

Рис. 1.23 – Напряжение на выходе цифрового генератора синусоидальных колебаний

После подачи напряжения питания цепь R9C1 формирует короткий импульс, сбрасывающий все разряды восьмиразрядного регистра сдвига DD1 в состояние 0. В результате на выходе инвертора DD2.1, а следовательно, и на верхнем (по схеме) входе данных регистра DD1 устанавливается уровень 1. На тактируемые входы регистра сдвига подают импульсы задающего генератора. По фронту каждого из этих импульсов данные в регистре сдвигаются на один разряд, и он последовательно заполняется “единицами” до тех пор, пока на входе инвертора DD2.1 не появится уровень 1. Теперь на вход данных верхнего регистра поступает низкий логический уровень, и он заполняется “нулями”. Этот процесс повторяется до тех пор, пока на преобразователь подано питание.

Функциональный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), состоящий из резисторов R1-R8, преобразует цифровой код, циркулирующий в регистре, в синусоидальное напряжение, частота которого равна 1/16 частоты задающего генератора. Так как КМОП-микросхемы могут работать на частотах не выше 7 МГц, максимальная частота выходного синусоидального сигнала — около 0,5 МГц.

Данное устройство может формировать и прямоугольные колебания с той же частотой и фазой, что и синусоидальные. Их можно использовать, например, для синхронизации развертки осциллографа.

Формирователь, схема которого показана на рис. 1.24, вырабатывающий ступенчатое напряжение более далекой от синусоидальной формы, может найти применение в преобразователях напряжения, аппаратуре радиоуправления и в генераторах для питания электродвигателей.

Рис. 1.24 – Схема формирователя ступенчатого напряжения

Он состоит из счетчика по модулю 3, выполненного на триггерах микросхемы DD1, и ЦАП, состоящего всего из двух резисторов. Частота выходного сигнала генератора равна 1/3. Рис. 1.25 наглядно поясняет процесс формирования синусоиды из прямоугольных сигналов.

Рис. 1.25 – График формирования синусоиды

На рис. 1.26 показана схема цифрового генератора пилообразного напряжения, который можно использовать и качестве генератора развертки.

Рис. 1.26 - Схема цифрового генератора пилообразного напряжения

Устройство содержит 14-разрядный двоичный счетчик и 8-разрядный линейный ЦАП, состоящий из резисторов R1-R24. Такой ЦАП обеспечивает ступенчатое нарастание выходного напряжения с шагом, равным 1/266 амплитуды формируемых колебаний, которая составляет примерно 1/5 напряжения питания счетчика. Генератор формирует также прямоугольный сигнал (частотой f/214) спад которого совпадает с началом процесса формирования пилообразного напряжения. Частоту выходного пилообразного напряжения при неизменной амплитуде можно изменять в широких пределах изменением частоты сигнала, поступающего на вход устройства. Генератор может быть особенно полезен в тех случаях, когда период пилообразного напряжения должен измеряться минутами и часами, т. е. в той области, где аналоговые методы малопригодны.

В данном аналитическом обзоре были рассмотрены аналоговые генераторы сигналов синусоидальной формы, было отмечено, что при разработке генераторов нелегко получить низкий коэффициент гармоник во всем рабочем диапазоне. Как правило, наибольшие искажения вносят схемы стабилизации амплитуды выходного напряжения.

От этого недостатка свободны цифровые генераторы. Рассмотрим цифровой генератор синусоидального сигнала (рис. 1.27), в основу которого положен регистр сдвига. Основные технические характеристики приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Технические характеристики генератора синусоидального согнала

Формирователь на DD2 работает следующим образом. После подачи питания короткий импульс поступает на входы R и сбрасывает все разряды регистра в "0". Поскольку на входе D верхнего регистра логическая "1" (логический "0" с вывода 8 проинвертирован DD1.3), по переднему фронту каждого тактового импульса в верхний регистр последовательно записывается логическая "1". С появлением логической "1" на выводе 10, а соответственно и на входе D нижнего регистра, логические единицы последовательно заполняют и нижний регистр. Как только на выводе 2 появляется логическая "1", на вход D верхнего регистра поступает логический "0" с инвертора DD1.3, и оба регистра аналогичным образом заполняются нулями. После чего цикл повторяется.

Таким образом, за 16 периодов тактового сигнала формируется полный период синусоидального сигнала в дискретной форме. Для сглаживания формы сигнала (подавления высших гармонических составляющих) применён фильтр первого порядка. Применение сдвоенного резистора позволяет с изменением частоты сигнала изменять и частоту среза фильтра.

Чтобы уменьшить уровень сигнала на 3 дБ (в 1,4 раза), частота среза скользящего фильтра выбрана равной рабочей частоте. Элементы фильтра рассчитываются по формуле:

fc=0,159/(RC) , (1.26)

где

R - сумма резисторов R2.2, R13 и выходного сопротивления формирователя около 5 кОм;

C - ёмкость соответствующего (из C5...C7) конденсатора.

Частота задающего генератора должна быть в 16 раз выше необходимой частоты синусоидального сигнала и определяется по формуле:

fт=1/1,4(RC) , (1.27)

где

R - сумма сопротивлений резисторов R1 и R2.1;

C — ёмкость одного из конденсаторов C1...C3.

На микросхеме DA1 выполнен повторитель сигнала с высоким входным и низким выходным сопротивлением.

Достоинством такого генератора является то, что при необходимости можно сделать два и более синхронных генераторов с частотами, отличающимися в 2, 3, 4 и т.д. раза. Возможный вариант делителя показан на рис. 1.28. Коэффициенты деления 2, 4, 8 и т.д. можно получить с помощью счётчиков К176ИЕ1, К561ИЕ10 и др.

Рис. 1.28 – схема делителя

Цифровой генератор произвольных импульсов можно построить на базе однокристальных микро-ЭВМ, дополненных многоразрядными ЦАП и АЦП.

При разработке цифрового генератора импульсов особое внимание следует уделить способу преобразования цифрового кода в аналоговый.

Необходимо учитывать:

1. Быстродействие схемы формирования сигнала (аналоговая часть).
2. Скорость вычисления амплитуды следующей точки (цифровая часть).
3. Линейность преобразования.
4. Разрядность.
5. Максимальное и минимальное выходное напряжение.
6. Наличие выбросов при смене кода.
7. Стабильность и прочие параметры.

Учет характеристик должен вестись тем тщательней, чем выше частота генерируемого сигнала. Сам процесс генерации зачастую сводится к последовательной подстановке значений амплитуд и отработке временных задержек по таблице генерации.

В данном курсовом проекте необходимо реализовать функцию Y = N³ (N изменяется от 1 до 2). Выходную функцию нужно выводить в аналоговом формате (256 точек за период). Тогда единицу дискретности величины N можно рассчитать следующим образом:

.

Таким образом, в курсовом проекте нужно будет с заданной частотой (частота изменяется от 1 до 100 Гц), выводить кубы 256 чисел с шагом . Числа и их кубы приведены в таблице 1.2. Данные таблицы получены с помощью программы С++, листинг которой приведен в приложении А.

Таблица 1.2

Значения функции Y=N³