Обновлено: 04.07.2024

Генераторы сигналов специальной формы (тип Г6 по ГОСТ 15094-69) представляют собой источники одиночных или периодических сигналов, форма которых отлична от прямоугольной. Наиболее распространенными формами сигналов являются пилообразная, треугольная, трапецеидальная, колоколообразная и т. п. Такие сигналы необходимы для моделирования входных воздействий при настройке и испытаниях каналов связи, медицинской, геофизической и измерительной аппаратуры.

К настоящему времени еще не разработаны стандарты, классифицирующие эти приборы и определяющие требования к их основным параметрам. Общий подход к нормированию параметров таких генераторов, очевидно, должен быть аналогичен подходу к нормированию параметров всех измерительных генераторов: необходимо указать форму сигнала, параметры, характеризующие форму, в том числе и параметры искажений, пределы регулировки параметров, пределы допускаемых погрешностей установки параметров, нестабильность параметров и т. д.

Для создания достаточно простых и дешевых генераторов сигналов специальной формы широко применяют схемы на основе интеграторов с нелинейной обратной связью через какой-либо пороговый элемент с гистерезисом (например, триггер Шмитта). Структурная схема такого генератора, называемого функциональным, представлена на рис. 1. В процессе интегрирования постоянного напряжения, присутствующего на выходе триггера Шмитта, интегратор формирует линейно изменяющееся напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера, триггер переключается, его выходное напряжение меняет знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не станет равным нижнему порогу срабатывания триггера. Далее этот процесс периодически повторяется и на выходе схемы формируется симметричное напряжение треугольной формы с одинаковым временем нарастания и спада. Размах этого напряжения и его стабильность определяются в основном установкой и соответственно стабильностью порогов срабатывания триггера. При использовании прецизионных схем нестабильность размаха сигнала может быть снижена до 0,1% за несколько часов работы.

Рис. 1

Частоту формируемого напряжения можно перестраивать в широком диапазоне частот от инфранизких до несколько десятков килогерц, изменяя постоянную времени интегратора. Перестройку частоты можно осуществлять также электрическим путем, регулируя напряжение на входе интегратора, коммутируемое триггером Шмитта. Усложняя схему регулировки этого напряжения, можно добиться формирования несимметричного треугольного (пилообразного) напряжения с регулируемым временем нарастания и спада. На основе полученного треугольного напряжения можно сформировать напряжения трапецеидальной, колоколообразной, синусоидальной формы. Для этого используют нелинейное преобразование сигнала треугольной формы с помощью диодно-резистивных схем, обеспечивающих кусочно-линейную аппроксимацию необходимой характеристики преобразования. Такие схемы достаточно просты и дешевы, однако обеспечивают ограниченный набор формируемых сигналов, критичны в настройке, имеют невысокую точность и стабильность.

Для формирования сигналов произвольной формы в последнее время начинают применяться функциональные генераторы, работающие на основе кусочно-линейного синтеза непосредственно самого сигнала (а не характеристики преобразования треугольного сигнала). В основе таких устройств лежит генератор линейно изменяющегося напряжения, длительностью и амплитудой которого можно управлять. Очевидно, что из серии таких элементарных линейно изменяющихся сигналов, каждый из которых начинается там, где окончился предыдущий, можно сформировать сигнал произвольного вида.

Обычно работой такого генератора управляет микропроцессор, в память которого вводятся параметры (длительность и амплитуда) каждого элементарного сигнала из заранее заданного набора дискретных значений.

Для того чтобы получить исходное значение сигнала, в конце каждого цикла формируется специальный сигнал возврата к началу.

Погрешность формирования сигнала, связанная с его кусочнолинейной аппроксимацией, определяется общим числом используемых элементарных сигналов и дискретностью установки их параметров. Кардинальным решением задачи формирования сигналов произвольной формы с широкими пределами регулировки и высокой стабильностью параметров является создание генераторов на основе цифровых запоминающих устройств (ЗУ) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Структурная схема такого генератора представлена на рис. 2. Тактовая частота работы устройства задается опорным кварцевым генератором, обеспечивающим высокую стабильность частотно-временных параметров сигнала.

Рис. 2

Генератор рассмотренного типа представляет собой, по сути дела, специализированную микро-ЭВМ, работающую по жесткой программе воспроизведения определенного набора записанных в ЗУ сигналов. Основной тенденцией дальнейшего развития таких цифровых измерительных генераторов сигналов произвольной формы является использование программируемых микро-ЭВМ на основе микропроцессоров, позволяющих неограниченно расширять набор синтезируемых сигналов, проводить необходимые операции коррекции параметров сигнала и сохранения их временной стабильности в реальном масштабе времени.

В основу разработки генератора для применения его в реальных проектах, связанных в том числе с цифровой фильтрацией сигналов, были положены следующие требования:
– прибор должен генерировать электрические колебания синусоидальной, прямоугольной со скважностью равной двум и треугольной форм в диапазоне частот 10 Гц…150 кГц и амплитудой выходных сигналов не менее 1 В;
– необходимо предусмотреть плавную регулировку частоты следования и амплитуды сигналов на выходе в пределах каждого из поддиапазонов;
– необходимо обеспечить высокую стабильность параметров выходных сигналов в установившемся режиме функционирования;
– ввести в состав прибора генератор шумовых сигналов случайной последовательности в диапазоне 20 Гц…15 МГц и с размахом выходного напряжения (от пика до пика) до 1 В;
– редусмотреть возможность смешивания шумового сигнала с каждым из основных электрических колебаний.
Генерацию сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной форм можно осуществить различными способами. Один из них предполагает формирование прямоугольного колебания с требуемыми параметрами и последующим преобразованием его в треугольное, из которого в дальнейшем получают и синусоидальные колебания. Возможен и другой, более простой по реализации, вариант преобразований, подразумевающий генерацию в качестве исходного сигнала синусоидального колебания, из которого последовательно можно получить прямоугольное и далее треугольное колебание. Этот вариант и применяется в предлагаемом генераторе.
В общем случае под шумовым сигналом понимается переменное напряжение или мощность, частотные и амплитудные параметры которых носят случайный характер. Первичными источниками шума (задающими генераторами) могут служить вакуумные и полупроводниковые шумовые диоды, фотоэлектронные умножители, газоразрядные приборы, а также лавинно-пролетные диоды, стабилитроны, туннельные диоды и ряд других.
Выбор полупроводниковых стабилитронов для применения в разработке в качестве задающего генератора неслучаен. Исследовались шумовые характеристики различных источников, в том числе и стабилитронов. В последнем случае для экспериментов отбирались многочисленные типы элементов с различными механизмами электрического пробоя. Эксперименты показали целесообразность использования стабилитронов с лавинным характером пробоя типа 2С210Ж, способных генерировать шумовые сигналы в диапазоне частот 10 Гц…18 МГц со средним размахом выходного напряжения порядка 20 мВ при величинах обратных токов 120…140 мкА. К тому же, применение стабилитрона в качестве источника шума позволяет минимизировать аппаратные и энергетические затраты при реализации генератора шума.
Обобщенная структурная схема генератора сигналов специальной формы и генератора шумовых сигналов приведена на рисунке 2. Как следует из схемы, прибор состоит из последовательно включенных генераторов синусоидальных, прямоугольных и треугольных колебаний, коммутатора этих сигналов, блоков выбора поддиапазонов и сигнала, частотомера и блока индикации.

В свою очередь генератор шумовых сигналов содержит источник шума, выход которого подключен к входу управляемого усилителя, предназначенного для обеспечения требуемого размаха напряжения на выходе устройства. Для удобства использования генератора при проведении экспериментальных работ и исследований весь диапазон генерируемых шумовых сигналов был разнесен на пять поддиапазонов, выделение которых производилось блоком фильтров. Сигналы требуемого диапазона через управляемый коммутатор подавались на вход буферного усилителя и далее, при необходимости, на второй вход смесителя, в то время как на его первый вход было подано одно из основных колебаний от соответствующего узла генератора сигналов специальной формы.
Электрическая схема генераторов синусоидальных, прямоугольных колебаний и блока выбора поддиапазона приведена на рисунке 3. Генератор синусоидальных колебаний выполнен на основе операционного усилителя DA4 типа AD8031, в цепи положительной обратной связи которого включен мост Вина-Робинсона [1]. Весь диапазон генерируемых колебаний разнесен на четыре поддиапазона, а плавная регулировка частоты производится сдвоенным потенциометром (в схеме обозначен через R15.1 и R15.2). Границы каждого диапазона определяются конденсаторами С2…С5 и С7…С10, подключаемыми к соответствующим цепям моста посредством электронного коммутатора на элементах DA1 и DA2 типа ADG513. Работой коммутатора управляет блок выбора поддиапазона, реализованный на элементах DD1 и DD2 типа CD4013.

Рис. 3. Электрическая схема генераторов синусоидальных, прямоугольных колебаний и блока выбора поддиапазона

Стабилизация амплитуды колебаний на выходе генератора обеспечивается элементами автоматической регулировки усиления в цепи обратной связи операционного усилителя. Ввиду отличия параметров цепи автоматической регулировки усиления на верхних частотах в схеме дополнительно используется регулировочный элемент R22, который на диапазоне 150 кГц подключается коммутатором DA3.
Буферизацию выхода генератора синусоидальных колебаний и перенос этих сигналов в область положительной полярности напряжения выполняет операционный усилитель DA5.1 типа AD8032. С выхода буферного усилителя синусоидальные колебания поступают на вход формирователя прямоугольных сигналов, выполненного по типовой схеме триггера Шмидта на операционном усилителе DA5.2 типа AD8032.
Электрическая схема генератора треугольных колебаний (интегратора) приведена на рисунке 4. Интегратор непосредственно реализован на операционном усилителе DA3.1 типа AD8066, резисторе R13 и конденсаторах С11…С14. Каждый конденсатор соответствует одному из четырех поддиапазонов и включается в цепь обратной связи усилителя посредством коммутатора DA4 (ADG513), управляемого блоком выбора поддиапазонов. Поскольку постоянная времени интегрирования нормализована для нижней частоты каждого из поддиапазонов, с увеличением частоты следования сигналов прямоугольной формы, поступающих на вход интегратора, амплитуда сформированного треугольного колебания на его выходе будет уменьшаться. Нейтрализация этого эффекта производится путем введения в схему системы автоматического регулирования амплитуды выходных колебаний интегратора, выполненной на элементах DA3.2, DA5, DA6, DA8 и DA9.

Основой этой части схемы является элемент DA8, представляющий собой усилитель с регулируемым по напряжению коэффициентом усиления типа AD605, на вход которого через буферный усилитель DA3.2 подается треугольное колебание с интегратора. Сигнал с выхода усилителя поступает на вход двухполупериодного выпрямителя на элементах DA6.1 и DA6.2, и после выпрямления и последующего инвертирования на элементе DA9(AD8065) напряжение, величина которого определяет коэффициент усиления усилителя DA8, подается на его входы управления. В результате уменьшение амплитуды сигнала на выходе интегратора компенсируется увеличением коэффициента усиления и наоборот.
Устранение дрейфа выходного напряжения в интеграторе производится путем подбора входного напряжения сдвига операционного усилителя DA3.1 на каждом из поддиапазонов с помощью соответствующих делителей напряжения R1…R12 и коммутатора DA1. Наряду с этим производится обнуление интегратора по завершении каждого цикла интегрирования через канал коммутатора DA7 типа ADG802. Процессом коммутации канала управляет одновибратор DD1 типа 74ALS121, вырабатывающий на каждом из поддиапазонов сигналы разных длительностей. Длительности этих сигналов обусловлены параметрами времязадающей цепи, состоящей из внутреннего резистора и одного из конденсаторов С7…С10, подключаемого к одновибратору коммутатором DA2.
Электрическая схема блока выбора сигнала и смесителя показана на рисунке 5. Смеситель колебаний реализован на операционном усилителе DA4.1 типа AD8032, на инвертирующий вход которого подается один из сигналов синусоидальной, прямоугольной или треугольной форм. Вид подаваемого сигнала зависит от состояния управляющих сигналов, поступающих на коммутатор DA1 от блока выбора сигнала, выполненного на элементах DD1 типа 74ALS00 и DD2, DD3 типа CD4013. При необходимости на второй неинвертирующий вход смесителя через коммутатор DA2 подается сигнал с выхода генератора шума. Элементы DA3 (AD8029) и DA4.2 (AD8032) выполняют функцию буферных усилителей. Потенциометры R21 и R26 позволяют регулировать амплитуду сигналов на соответствующих выходах.
Электрическая схема блока фильтров, коммутатора и буферного усилителя представлена на рисунке 6. Выделение требуемого частотного поддиапазона шумового сигнала обеспечивают активные фильтры низких частот, зарекомендовавшие себя в предыдущих проектах [2]. За основу выбраны фильтры Баттерворта пятого порядка, отличающиеся плоской характеристикой в пределах полосы пропускания, а порядок, определяющий крутизну среза фильтра, достаточен для данного применения.

Частотомер реализован на основе микроконтроллера типа MCF51JM128, с типовой, не имеющей особенностей, схемой включения. Текущая информация о форме генерируемого сигнала, его частоте и выбранном диапазоне шумового сигнала, отображается на двухстрочном индикаторе типа FDCC1602E.
Генератор сигналов специальной формы представляет собой завершенное изделие размерами 290×200×90 (мм). Масса генератора не превышает 2,6 кг.
Авторы выражают глубокую признательность Марии Сапожниковой, менеджеру по работе с ключевыми заказчиками представительства Analog Devices Inc. в России, стоявшей у истоков создания исследовательского центра, за поставленные для проекта комплекты компонентов.

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: ДМК Пресс, 2008.
2. Губа А.В., Гасанов О. И., Кишов Р. М. Активные фильтры в приемных устройствах радиовещательного диапазона//Электронные компоненты, №10, 2010.

Генераторы сигналов специальной формы. Разработка функциональной и принципиальной схемы генератора сигналов. Источник опорного напряжения. Выбор генератора тактовых импульсов, двоичного счетчика и устройства управления. Формирователь выходного сигнала.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	24.11.2013
Размер файла	1,1 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Содержание

1. Введение
• 2. Генераторы сигналов специальной формы
• 3. Разработка функциональной схемы генератора сигналов
• 4. Разработка принципиальной схемы генератора сигналов
• 4.1 Выбор ЦАП
• 4.2 Расчет источника опорного напряжения
• 4.3 Выбор генератора тактовых импульсов
• 4.4 Выбор двоичного счетчика
• 4.5 Выбор устройства управления
• 4.6 Формирователь выходного сигнала
• 5. Заключение
• 6. Список использованной литературы

1. Введение

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор гармонических или каких-либо других колебаний. Кроме очевидных случаев автономных генераторов (а именно генераторы синусоидальных сигналов, генераторы каких-либо функций, импульсные генераторы) 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 колебаниями.

Они присутствуют практически везде. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых мультиметрах, осциллографах, радиоприемниках, ЭВМ, в любом периферийном устройстве ЭВМ (накопители на магнитной ленте или магнитных дисках, устройство печати, алфавитно-цифровой терминал), почти в любом цифровом приборе (счетчики, таймеры, калькуляторы и любые приборы с "многократным отображением”) и во множестве других устройств.

Устройство без генератора либо, либо предназначено для подключения к другому (которое скорее всего содержит генератор).

В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться просто как источник регулярных импульсов ("часы" в цифровой системе); от него может потребоваться стабильность и точность (например, опорный интервал времени в частотомере), регулируемость (гетеродин передатчика или приемника) или способность генерировать колебания в точности заданной формы (как например, генератор горизонтальной развертки осциллографа).

В импульсных устройствах широкое применение находят генераторы, выходное напряжение которых имеет форму, резко отличающуюся от синусоидальных. Колебания такой формы носят название релаксационных и бывают прямоугольными, пилообразными, пилообразно-импульсными и т.д.

2. Генераторы сигналов специальной формы

В технике связи и управления, а измерительной технике используются импульсы напряжения и тока не только прямоугольной, но и непрямоугольной формы, например пилообразной или более сложной формы. Известны многие методы формирования таких импульсов. В результате данной работы был спроектирован генератор сигналов специальной формы управляемый счетом.

генератор выходной сигнал управление

3. Разработка функциональной схемы генератора сигналов

Практически любой сигнал, форма которого описывается функцией f (t), t₀ tt_K-1, может быть приближенно воспроизведен путем формирования ступенчатого напряжения u (t) в интервале [t₀,t_K-1], такого, что |f (t) - u (t) | , где - погрешность аппроксимации. Дискретное представление функции приведено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Дискретное представление функции

Если в заданном интервале [t_0…t_K-1] выбирать множество значений

независимой переменной t₀,t₁. t_K-1,t_i n -1 (если минимальное значение кода N_min равно 0) и количество уровней квантования выходного сигнала, равное 2 n ;

2. величина кванта выходного сигнала, определяющая разрешающую способность преобразователя по уровню

ГОСТ

Разработка генераторов сигналов специальной формы. Триггер Шмитта

Генератор сигналов специальной формы – это источник одиночных или периодических сигналов, форма которых отлична от прямоугольных.

Самыми распространенными формами сигналов специальной формы являются:

1. Колоколообразная.
2. Треугольная.
3. Пилообразная.
4. Трапецеидальная.

Сигналы специальной формы предназначены для моделирования входных воздействий при испытаниях и настройке измерительной, геофизической, медицинской аппаратуры, а также каналов связи. В настоящее время не существует стандартов, которые классифицируют генераторы специальной формы и определяют требования к их основным параметрам. Поэтому подход к нормированию этих параметров такой же, как и к нормированию измерительных сигналов, то есть необходимо указывать форму генерируемого сигнала, параметры искажений, пределы допускаемых погрешностей, нестабильность параметров и т.п.

Для создания дешевых и простых генераторов сигналов специальной формы используются схемы на основе интеграторов с нелинейной обратной связью через пороговый элемент (триггер Шмитта). Структурная схема такого генератора представлена на рисунке ниже.

Рисунок 1. Структурная схема генератора сигналов специальной формы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Здесь: 1 - пороговый элемент; 2 - интегратор; 3 - выходной повторитель пилообразного сигнала; 4 - выходной формирователь синусоидального сигнала; 5 - выходной формирователь трапецеидального сигнала; 6 - выходной формирователь импульсного сигнала.

В процессе интегрирования постоянного напряжения, которое присутствует на выходе представленного генератора (триггер Шмитта), интегратор формирует линейно изменяющееся напряжение. Когда напряжение на выходе триггера достигает значения порога срабатывания триггера, то он переключается, и у его выходного напряжения меняется знак. Из-за этого выходное напряжение изменяется в противоположную сторону, пока не станет равным порогу срабатывания триггера. Данный процесс повторяется периодически и на выходе формируется симметричное напряжение треугольной формы, имеющее одинаковое время спада и нарастания. Стабильность и размах напряжения определяются установкой и стабильностью порогов срабатывания триггеров. Частота перестраиваемого напряжения изменяется в широком диапазоне частот от низких до нескольких десятков килогерц, изменяя постоянную времени интегратора. Перестройка может также осуществляться электрическим путем, посредством регулировки напряжения на входе интегратора. Если сделать схему регулировки более сложной, можно добиться пилообразного напряжения с регулируемым временем спада и нарастания. А уже на основе треугольного напряжения можно сформировать колоколообразное, трапецеидальное, синусоидальное напряжения. Используется для этого нелинейное преобразование сигналов треугольной формы при помощи диодно-резистивной схемы, которая обеспечивает кусочно-линейную аппроксимацию необходимого параметра. Достоинством таких схем является простота и дешевизна, главный недостаток - ограниченный набор формируемых сигналов.

Готовые работы на аналогичную тему

Цифровые измерительные генераторы сигналов произвольной формы

Цифровой измерительный генератор сигналов произвольной формы – это специализированная микро-электронно-вычислительная машина, которая работает по жесткой программе воспроизведения набора сигналов, записанных в запоминающем устройстве

Довольно распространенным видом генераторов сигналов специальной формы являются цифровые генераторы сигналов произвольной формы. Структурная схема данного генератора изображена на рисунке ниже.

Рисунок 2. Цифровой генератор сигналов произвольной формы . Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Здесь: 1 - поступающие сигналы; 2 - блок управления; 3 - генератор опорной частоты; 4 - формирователь адреса; 5 - запоминающее устройство; 6 - цифро-аналоговый преобразователь; 7 - выход.

В данном устройстве тактовая частота работы задается генератором опорной частоты. По каждому из тактовых импульсов из формирователя адреса извлекается код адреса, по которому в запоминающем устройстве располагается отсчет формируемого сигнала. Данный отсчет из запоминающего устройства извлекается и поступает в цифро-аналоговый преобразователь. Затем цифро-аналоговый преобразователь переводит код отсчета в напряжение. В результате последовательного опроса запоминающего устройства на его выходе возникает последовательность цифровых сигналов, которые при помощи цифро-аналогового преобразователя превращаются в аналоговый сигнал необходимой формы. Таким способом можно сформировать сигнал практически любой формы. Со стороны нижних частот диапазон данного генератора ничем не ограничен. Ограничителем со стороны верхних частот является быстродействие цифро-аналогового преобразователя и запоминающего устройства. Точность цифрового измерительного генератора сигналов произвольной формы по выходному напряжению определяется разрядность используемого запоминающего устройства и объемом его памяти.

Читайте также:

  
• Конспект урока по теме планеты гиганты
  
• Два пушкинских образа в музыке 8 класс презентация и конспект урока
  
• Религия как одна из форм культуры конспект урока 8 класс
  
• Государственные символы россии конспект
  
• Обж параграф 6 2 конспект