Генераторы сигналов специальной формы

Размещено на http://www.allbest.ru

3

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.

1. 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.

2. Разработка функционнальной схемы генератора сигналов

Практически любой сигнал, форма которого описывается функцией f(t), t0 ttK-1, может быть приближенно воспроизведен путем формирования ступенчатого напряжения u(t) в интервале [t0,tK-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 [t0…tK-1] выбирать множество значений независимой переменной t0,t1,...,tK-1,ti <ti+1, то под ступенчатой функцией u(t) понимается функция u(t) = аi = const., ti t ti+1, i= 0, 1,...,k-1. Значения ti обычно задаются двоичным кодом mi и каждому значению u(ti) ставится в соответствие n-разрядное двоичное число n(mi).

Точность воспроизведения функции f(t) зависит и от числа узлов аппроксимации, и от числа разрядов, которым кодируются аналоговые уровни в узлах. На точность аппроксимации влияют и инструментальные ошибки, обусловленные неточностью и дрейфом параметров генератора функций.

Функциональная схема генератора напряжения представлена на рисунке 2.

Размещено на http://www.allbest.ru

3

u(t) U(t)

Рисунок 2 Функциональная схема генератора

В схему генератора входят генератор тактовых импульсов ГТИ, устройство управления УУ, двоичный счетчик СТ2, цифро-аналоговый преобразователь ЦАП и фильтр низкой частоты ФНЧ. ГТИ вырабатывает периодическую последовательность коротких прямоугольных импульсов; период повторения этих импульсов задает длительность интервала t = ti - ti-1 дискретизации ступенчатого напряжения. Для получения точного и стабильного интервала t в ГТИ часто используется кварцевая стабилизация частоты.

Устройство управления управляет работой счетчика - задает частоту импульсов, направление счета, запись начального числа и т.д.

Счетчик импульсов вырабатывает параллельный двоичный код mi, представляющий величину ti (минимальному интервалу t соответствует приращение числа, фиксированного в счетчике, на единицу младшего разряда; это приращение обусловлено поступлением на вход счетчика очередного тактового импульса). Код Мi поступает на вход ЦАП. На выходе ЦАП создается на каждом i-м такте уровень напряжения ui=u(ti) соответствующий коду Ni. Таким образом ЦАП реализует линейную операцию F преобразования кода Ni в напряжение u=f(ni). В результате на выходе ЦАП создается ступенчатое (кусочно-постоянное) напряжение. Последнее может быть сглажено фильтром низких частот, и таким образом можно получить сигнал u(t), близкий по форме к требуемому f(t). Точность воспроизведения генерируемой функции зависит от количества двоичных разрядов n кода Ni, т.е. от разрядности ЦАП.

3. Разработка принципиальной схемы генератора сигналов

3.1 Выбор ЦАП

Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование (декодирование) входных значений, представленных числовыми кодами в эквивалентные или значения какой-нибудь физической величины, называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

ЦАП обеспечивает преобразование

X(t)=N(t)* X +

где X(t) - аналоговый эквивалент входного кода,

N(t) - входной цифровой код в дискретный момент времени t,

X - шаг квантования по уровню

- ошибка преобразования.

Ошибка преобразования имеет две составляющие - погрешность квантования и инструментальная погрешность. Погрешность квантования связана с дискретным характером преобразования. Инструментальная погрешность является следствием аппаратурной реализации ЦАП.

Основные параметры ЦАП делятся на группы временных и точностных.

К временным параметрам относятся:

шаг квантования TK - интервал времени между двумя последовательными преобразованиями;

время преобразования Tпр. выходного напряжения - интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента установления выходного аналогового сигнала;

длительность цикла преобразования Tц - задержка между моментом подачи входной величины на ЦАП и моментом выдачи кода.

Временные параметры ЦАП представлены на рисунке 3

Рисунок 3 Временные параметры ЦАП

К точным параметрам ЦАП относятся следующие:

количество разрядов входного двоичного кода n. Оно определяет максимальное значение входного кода Nmax=2n-1 (если минимальное значение кода Nmin равно 0) и количество уровней квантования выходного сигнала, равное 2n;

величина кванта выходного сигнала, определяющая разрешающую способность преобразователя по уровню

X=(Xmax-Xmin)/2n ,

где Xmax - максимальное значение выходного сигнала;

Xmin - минимальное значение выходного сигнала.

Определим разрядность ЦАП:

X=(Xmax-Xmin)/2n ,

X/(Xmax-Xmin)*100=,

=100/2n

=0.05, следовательно,

2n=2000,

nlog22000, n11.

Выбираем микросхему ЦАП К572ПА2. Основные электрические параметры микросхемы представлены в таблице 1.

Таблица 1 Основные электрические параметры микросхемы К572ПА2

микросхема генератор импульс

Микросхема ЦАП К572ПА2 работает от одного источника питающего напряжения Ucc=5B. Опорное напряжение Uref=524B.

В состав ИС входят 12 идентичных токовых ключей и резисторная матрица комбинированного типа. Преобразование осуществляется по принципу суммирования двоично-взвешенных токов. Равенство токов в токовых ключах достигнуто за счет высокой идентичности элементов ИС.

Структурная схема ЦАП на рисунке 4.

Рисунок 4 Структурная схема ЦАП

При подключении ЦАП в режиме однополярного сигнала на выход Uвых1 (вывод 1) присоединен быстродействующий ОУ К1432УД1, в цепь ООС которого включены внутренние резисторы ИС (вывод 18).

3.2 Расчет источника опорного напряжения

Напряжение ИОН должно быть равно максимальному напряжению на выходе схемы, т.е. 10В. В качестве ИОН выбрана схема параметрического стабилизатора на стабилитроне VD1 КС210Ж и резисторе R2.

Для обеспечения нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток протекающий через стабилитрон IСТ удовлетворял условию:

IСТmin<IСТ<IСТmax

где IСТmin и IСТmax соответственно минимальный и максимальный ток. Для КС210Ж эти значения равны:

IСТmin=0,5мА, IСТmax=14мА.

При UП=12В и R2=510 Ом IСТ=3,9мА. PR2=UR2ICT. PR2=0,0078 Вт.

Выбираем R2 МЛТ-0,125 510 Ом 20%.

3.3 Выбор генератора тактовых импульсов

По условию выходной сигнал имеет следующую форму:

Uвых=Umt/T, t<T/4

Uвых=Um, T/4<t<3T/4

Uвых= - Um(t-T)/T, 3T/4<t<T

где Um=10В, T=0,1c. dU(Um)=0,05%.

Выходной сигнал линейно возрастает от 0 до Umax первую четверть периода, после две четверти времени остается неизменным, а затем четвертую четверть периода линейно убывает от Umax до 0. Таким образом, счетчик будет работать первую четверть периода на сложение, две четверти периода будит небольшая задержка, а четвертую - на вычитание. Значит, частота тактового генератора равна:

FТ.Г.=N/(T/4)

FТ.Г.=4096/(0,1/4)

FТ.Г.=163840 Гц.

В качестве тактового генератора выбираем схему автогенератора, выполненного на двух инверторах и одной времязадающей цепи, состоящей из кварцевого резонатора и резистора. (рисунок 5).

Рисунок 5 Схема автогенератора

Частота генератора определяется резонансной частотой кварцевого резонатора. Поскольку кварцевый резонатор с частотой 163840 Гц не существует, используем резонатор на частоту 8192000 Гц и затем разделим полученную частоту на 50 с помощью счетчика.

Для получения коэффициента деления частоты 50 используем микросхему К561ИЕ8 (рисунок 6).

Микросхема представляет собой десятичный счетчик делитель. Содержит 194 интегральных элемента.

Рисунок 6 Условное графическое обозначение К561ИЕ8

Назначение выводов: 1 - выход 5; 2 - выход 1; 3 - выход 0; 4 - выход 2; 5 - выход 6; 6 - выход 7; 7 - выход 3; 8 - общий; 9 - выход 8; 10 - выход 4; 11 - выход 9; 12 - выход переноса P; 13 - тактовый вход С2; 14 - тактовый вход С1; 15 - вход установки нуля R; 16 - напряжение питания.

Таблица 2 Таблица истинности микросхемы К561ИЕ8

Для получения требуемого коэффициента деления соединяем два счётчика последовательно, что помогает нам получить частоту 163840 Гц.

3.4 Выбор двоичного счетчика

Для получения требуемой формы сигнала необходимо построить 12-разрядный двоичный реверсивный счетчик.

Из справочника выбираем 4-разрядный счетчик К555ИЕ13. Микросхема представляет собой четырёхразрядный параллельный реверсивный двоичный счетчик, выполненный на JK - триггерах. Содержит 406 интегральных элементов. Чтобы получить 12-разрядный счетчик соединяем 3 ИС К555ИЕ13 каскадно. Счетчик К555ИЕ13 работает в режиме суммирования и вычитания, а также в режиме записи (предварительной установки) числа. Счетные импульсы подаются на вход C. При достижении счетчиком минимального (0) либо максимального (16) значения на выводе OF появляется лог. 1. После следующего счетного импульса на выходе переноса CR появляется импульс. У данной микросхемы отсутствует вход обнуления (сброса). Однако этого можно достигнуть, загружая в счетчик число 0000 и на вход разрешения предустановки ED подавая логическую единицу. Диаграммы работы счетчика приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 Диаграммы работы счетчика

В каскадном соединении сигнал с выходов CR и OF первого счетчика с помощью логических элементов подается на счетный вход второго. После объединения микросхем они будут представлять собой один 12-разрядный двоичный реверсивный счетчик.

3.5 Выбор устройства управления

Для переключения режимов работы счетчика для получения выходного сигнала требуемой формы нужно устройство управления работой счетчиков.

Поскольку счетчик сначала должен работать на сложение в первую четверть периода, после две четверти времени должна быть задержка, а в четвертую - на вычитание, то требуется создать переключатель направления счета. Выбранные счетчики работают на сложение при подаче в вход ”1” лог. 0, и на вычитание при подаче лог. 1. Значит, нам необходимо создать устройство управление на 12 и более разрадных счетчиках.

Самое простейшее устройство управление для необходимого нам сигнала строится с помощью трёх четырнадцатиразрядных двоичных счетчиков - делителей К561ИЕ16, которые содержат по 318 интегральных элементов. По достижение первым счетчиком числа 4096 протекает процесс суммирования реверсивных счетчиков, а при достижение заданного числа он передает процесс управления второму счетчику и при этом проходит ј периода времени. Второй счетчик устанавливает задержку по времени равной Ѕ периода времени, что и позволяет сделать счетчик, досчитав до 16384. После этого он передает процесс счета третьему счетчику. Во время своего счета до 4096 протекает процесс вычитания реверсивных счетчиков, что приводит к тому, что выходной сигнал линейно убывает до нуля. По достижение счетчиком числа 4096 все три счетчика устанавливаются в нуль.

3.6 Формирователь выходного сигнала

Формирователь выходного сигнала состоит из усилителя мощности, который построен на ОУ.

Коэффициент усиления по напряжению задается сопротивлениями внутренних резисторов ЦАП и равен 1.

Используем операционный усилитель К1432УД1. Максимальное значение выходного тока ОУ Iвыхmaxоу=500 мА.

Найдем величину выходного тока схемы:

Iвых.сх=Uвых.max/Rн,

где Rн - сопротивление нагрузки

Iвых.сх=10/20, Iвых.сх=500 мА.

Iвыхmaxоу= Iвых.сх

Выходной ток операционного усилителя не требует дополнительного усиления.

Заключение

В курсовой работе был разработан генератор сигнала специальной формы. В процессе ее выполнения получены навыки выбора схемы и ее элементов в зависимости от необходимого результата.

Приобретены знания об основных свойствах интегральных микросхем, цифро-аналоговых преобразователей, операционных усилителей, используемых при построении импульсных генераторов различного назначения.

Список использованной литературы

1. Справочник: Интегральные микросхемы. Операционные усилители Том I. - М.; ВО «Наука» 1993г.

2. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники-1 - М.; «Мир» 1993 г.

3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника -- М. : Высшая школа, 1982.

Размещено на Allbest.ru