Что такое функциональный генератор
Генераторы сигналов
Генераторы сигналов – приборы, позволяющие получать электрические, акустические и иного рода импульсы. Устройства бывают разных видов — обычно прибор подбирают под конкретную цель. Решающими факторами при выборе могут оказаться форма прибора, его статические функции и энергетические показатели. Устройство применяют в разных сферах — как в медицине, так и в быту (стиральные машины, микроволновки).
Историческая справка
Первый генератор был создан в 1887 году немецким физиком Германом Герцем. Прибор разрабатывался на основе индукционной катушки (или катушки Румкорфа). Он был искровым и вырабатывал электромагнитные волны. Потом история развивалась так:
Это было лишь начало. Позже инженерами разных стран было создано множество вариаций электронных генераторов.
Как устроен генератор сигналов?
Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.
Стандартная модель сигнального генератора состоит из нескольких частей:
Смещение сигнала и его амплитуда обычно регулируются 2 кнопками. Работа с файлами происходит через мини-панель. Она дает пользователю просмотреть результаты тестирования или сохранить их для будущего анализа.
Принцип действия
Рассмотрим схему действия на примере простейшего электронного генератора. Есть проводник и магнитное поле, по которому он движется. В качестве проводника обычно используют рамку.
Принцип действия таков:
Схема генератора похожа на схему усилителя. Разница в том, что у первого нет источника входного сигнала. Он заменяется сигналом положительной обратной связи (ПОС).
В процессе обратной связи (ОС) часть выходного сигнала направляется на входную цепь. Структура такого импульса задается спецификой цепи обратной связи. Чтобы обеспечить нужную периодичность колебаний, цепи ОС создают на базе LC или RC-цепей. Частота будет зависеть от времени перезарядки конденсатора.
После формировки в цепи ПОС сигнал отправляется на вход усилителя. Там он умножается в несколько раз и поступает на выход. Оттуда часть отправляется на вход посредством цепи ПОС и снова ослабляется, возвращаясь к исходному значению. Благодаря такой схеме внутри устройства поддерживается постоянная амплитуда выходного сигнала.
Как устроен генератор смешанных сигналов?
Принцип действия генератора смешанных импульсов направлен на то, чтобы ускорить образование сигналов и воспроизводить их с максимальной точностью. Передняя панель прибора снабжена органами управления для контроля самых важных и часто изменяемых параметров. Менее востребованные и редко используемые функции можно найти в меню на основном экране.
Регулятором уровня устанавливается амплитуда движения выходного сигнала. Амплитуду и смещение можно регулировать без входа в многоуровневую систему меню.
Отдельный регулятор также позволяет изменить частоту дискретизации путем изменения периодичности выходного сигнала. При этом форму последнего этот настройщик изменить не сможет. Такая функция есть лишь в меню на основном экране редактирования. Форму выбирают при помощи сенсорной панели или мышки. Пользователь открывает нужную страницу и просто заполняет бланк с цифровой клавиатуры или поворотной ручкой.
Виды генераторов сигналов
Приборы различаются по ряду характеристик. Например, по форме сигнала (синусоидальные, прямоугольные, в виде пилы), по частоте (низкочастотные, высокочастотные), по принципу возбуждения (независимое, самовозбуждение). Однако существует несколько основных видов — о них и расскажем подробнее.
Синусоидальный
Прибор усиливает первоначальный синусоидный код в десятки раз. На выходе получается частота до 100 МГц. При этом исходный синус, как правило, не превышает 50 МГц. Генераторы синусоидального импульса активно используют при проверке блоков питания, инверторов и другой высокочастотной техники, а также радиоаппаратуры.
Генератор низкочастотный
Ниже схема самого простого низкочастотного генератора. На ней видно, что в приборе присутствуют переменные резисторы. Они позволяют корректировать форму и частоту сигнала. Изменить силу импульса можно подключенным модулятором KK202.
Такой прибор подойдет для настройки аудиоаппаратуры (звуковых усилителей, проигрывателей). Наиболее доступным вариантом низкочастотного генератора является обычный компьютер. Достаточно скачать драйверы и подключить его к аппаратуре через переходник.
Генератор звуковой частоты
Стандартная конструкция с микросхемами внутри. Напряжение подается в селектор, а сам сигнал генерируется в одной или нескольких микросхемах. Частоту можно настраивать при помощи модуляционного регулятора. Прибор отличается более обширным диапазоном частоты, чем аналоги (до 2000 кГц).
Импульсы произвольной формы
Генераторы с импульсами произвольной формы имеют повышенную точность. Погрешность минимальная — до 3%. Выходной импульс подвергается тонкой регулировке с применением шестиканального селектора. Прибор вырабатывает частоту от 70 Гц.
Устройства делят по степени синхронизации. Зависит она от типа коннектора, который установлен в прибор. Поэтому сигнал может усиливаться за 15-40 ньютон-секунд. Некоторые модели работают на 2 режимах – линейном и логарифмическом. Режим меняется переключателем, за счет чего корректируется амплитуда.
Контроллеры сложных сигналов
В сборке присутствуют только многоканальные селекторы, так как приборы получают импульсы сложной формы. Сигналы многократно усиливаются, режим можно изменить при помощи регулятора. Вариацией такого прибора считается DDS (устройство по схеме прямого цифрового синтеза).
Базовая плата оборудуется микроконтроллерами, которые легко снимаются и ставятся на место. В некоторых моделях можно заменить микроконтроллер одним движением. Если редактор монтированный, ограничители установить нельзя. Прибор генерирует измерительный сигнал мощностью до 2000 кГц с погрешностью до 2%.
Генератор цифрового сигнала
Цифровые генераторы популярны, потому что отличаются высокой точностью. Пользоваться ими удобно, однако они нуждаются в тщательной настройке. Здесь стоят коннекторы KP300, резисторы достигают сопротивления от 4 Ом. Это позволяет добиться предельно допустимого внутреннего напряжения в схеме.
Области применения
Генераторы сигналов используют современные лаборатории разработчиков электронных и измерительных приборов. Одинаковые генераторы могут применяться в кабинетах от начального до продвинутого уровня.
Однако эти функциональные устройства применяют для настройки и тестирования оборудования и в областях, более доступных обывателю. Вот лишь неполный список устройств, которые используют генераторы:
Находчивые пользователи применяют устройства и для иных целей. Например, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а RStamp SMA100A хорошо показал себя в регулировке аэронавигационных систем.
Цифровой функциональный генератор
Функциональный генератор это общий инструмент для генерации тестовых сигналов. Большинство функциональных генераторов могут генерировать сигналы синусоидальный, прямоугольный и/или треугольной формы, профессиональная аппаратура поддерживает сигналы произвольной формы и имеет множество каналов. Простой по функциональности функциональный генератор может быть собран легко, существует множество проектов домашней сборки, известных достаточно давно. Методы синтеза сигналов определенной формы делятся на две категории, одна – методы аналогового синтеза и другая – методы цифрового синтеза.
Для аналогового синтеза в аппаратуре домашней сборки часто используется генератор на основе моста Вина или традиционная ИС функционального генератора ICL8038. Этот аналоговый метод может быть реализован в очень простой схеме, однако, имеются проблемы в стабильности, точности и воспроизводимости.
Принцип DDS
Непрерывный сигнал и Дискретный сигнал
Когда цифровая схема обрабатывает непрерывный во времени сигнал, она делает выборки с постоянным интервалом и затем квантует их что бы преобразовать в цифровые данные подобно тому, как показано на Рисунке 1. Значения дискретизированного сигнала существуют только в точках дискретизации, между ними их нет. Эта форма сигналов называется дискретными сигналами, таким образом, цифровая обработка сигналов обрабатывает сигналы в форме дискретного сигнала.
Дискретный сигнал может быть обработан как эквивалент непрерывного сигнала, но есть некоторые относительно его характеристик. Например, между точками дискретизации нет данных, а изменения формы сигнала происходящие быстрее чем скорость дискретизации не могут быть корректно представлены в дискретном сигнале. Частотными компонентами, которые могут быть представлены корректно становятся равные или меньшие чем fs / 2 [Гц], где fs [Гц] – частота дискретизации. Это ограничение называется частотой Найквиста. Таким образом большая частота дискретизации увеличивает обрабатываемый частотный диапазон. Однако системные ресурсы, такие как скорость вычислений и размер хранилища данных, ограничены, поэтому минимальная частота дискретизации для каждого приложения является выбором компромисса между стоимостью и производительностью.
Если представить дискретный сигнал как «импульсный сигнал с частотой fs, который модулирован входным сигналом», его характеристики, такие как бесконечно повторяющийся спектр, могут быть легко найдены.
Цифровой синтез формы сигнала
Когда в процессе цифровой обработки синтезируется сигнал заданной формы, это происходит так, как описано выше, но в обратном порядке, синтез цифрового сигнала (данных для сигнала заданной формы) для каждой точки дискретизации и преобразование в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. К примеру, для синусоидального сигнала, мгновенное значение сигнала е следующее:
где Ep пиковое значение, ω угловая скорость [рад/с], f частота [Гц] и t время [с]. Данные для сигнала синусоидальной формы могут быть получены путем вычисления значений для каждой точки дискретизации. Для сигналов формы, отличной от синусоидальной все происходит точно так же.
Практическая DDS система
Что бы реализовать DDS, вычислять синусоидальную функцию каждый раз не рационально с точки зрения вычислительной скорости и размера аппаратных ресурсов. Однако синусоидальная функция периодическая и поэтому может храниться в таблице и вычисляться путем табличного преобразования угла θ, как показано на Рисунке 2. При таком подходе аппаратная часть становится простой и может работать очень быстро. Частота синтезированного сигнала будет:
где fs частота дискретизации, Ns длинна таблицы. Чтобы изменить выходную частоту следует изменить fs. Однако изменение частоты дискретизации fs увеличивает сложность аналоговой части (выходной фильтр, и т.д.), поэтому это плохой путь управления выходной частотой. Выходная частота также может быть изменена путем увеличения потока обращений к таблице преобразования (Δs) вместо изменения fs.
|
В соответствии со спецификацией
Я определил нижеследующую специфику функционального генератора:
Причинами, такого решения стали: 1 цель проекта, 2 область планируемого использования, 3 то, что аналоговая часть не точная.
Как реализовать DDS
Есть два метода составления DDS систем, один заключается в реализации чисто аппаратной логики, другой в программной обработке с помощью цифрового сигнального процессора ( DSP) или микроконтроллера. В аппаратном методе используется Микросхема DDS или ПЛИС. Микросхемы DDS разработаны для цифровой связи и не могут генерировать сигналов произвольной формы, не имеют цифрового аттенюатора и их вертикальное разрешение не достаточное для применения в аудио системах, поэтому они не могут использоваться в этом проекте. Реализация DDS с помощью ПЛИС решает эту проблему. Однако микроконтроллер должен использоваться хотя бы для управления системой, поэтому я размышлял, может ли обычный микроконтроллер реализовать DDS или нет?
Для аудио измерений требуется вертикальное разрешение в 16 бит и частота выборок хотя бы 100 кГц. Исходя из этого я вычислил, что DDS может быть реализован на AVR с загрузкой в 80 процентов. Это область цифровых сигнальных процессоров или 32 битных процессоров, но это так же может быть реализовано на AVR, дорогостоящий процессор не потребуется в этом проекте.
Для отображения используется LCD модуль на 4 строки по 20 столбцов. Поскольку функциональный генератор имеет два выходных канала, имеется много параметров для отображения, поэтому требуется хотя бы 4 строки. Для приема команд от пользователя используются 4 кнопки со стрелками и угловой кодер. Форма сигнала загружается из карты памяти.
Аппаратная часть
На рисунке 4 показана схема функциональных блоков функционального генератора. Далее приведено описание каждого блока.
В устройстве используется микроконтроллер ATmega64. Он имеет интерфейс внешней памяти, который полезен для применений, в которых требуется определенное количество памяти. Данные о форме сигнала загружаются с карты памяти и сохраняются в таблице, расположенной во внешней памяти размером 256 Кбит. Таблица представляет из себя слова по 16 бит, соответствующие выборкам, для каждого канала имеется 8192 таких слова и эти данные заполняют всю память. Системную тактовую частоту обеспечивает ЦАП. Эта частота превышает максимально допустимую тактовую частоту контроллера, однако все работает без проблем.
На Рисунке 5 показана функциональная схема ПЛИС. Я использовал ПЛИС ispLSI1016E фирмы Lattice, что нашел в коробке с запчастями. Она может быть заменена любой другой ПЛИС, имеющей 64 макроячейки. Она используется в основном как параллельно-последовательный преобразователь, чтобы посылать данные в ЦАП. Соединительная логика, необходимая для подключения внешней памяти к AVR контроллеру, так же включена в ПЛИС. Сигнал LRCK, идущий к ЦАП, используется для прерываний дискретизации, чтобы синхронизировать процесс синтеза сигнала и ЦАП.
Здесь используется NEC μPD63210. Это 16 битный стерео аудио ЦАП на основе цепочки резисторов, со встроенным цифровым фильтром избыточной дискретизации. Цифровой фильтр уменьшает шумы, вызванные ступенчатостью, так что выходной фильтр может быть упрощен и форма сигнала будет без искажений даже около частоты Найквиста. μPD63210 может работать на частоте входных выборок 96 кГц, таким образом может быть охвачен диапазон в 40 кГц, что в два раза больше самой высокой частоты аудио сигнала. Конечно подойдет любой другой ЦАП, поддерживающий частоту дискретизации 96 кГц. В этом проекте тактовая частота ЦАП изменена, чтобы обеспечить частоту прохода по всей таблице 12.5 Гц (12.5 × 8192=102400) и поэтому ЦАП работает с частотой преобразований 102.4 кГц. Линия питания ЦАП не должна содержать помех так как они могут стать причиной ошибок в выходном сигнале, поэтому напряжение питания создается с помощью последовательности регуляторов и разделено на напряжения питания для аналоговой ( AVDD) и цифровой (DVDD) частей, каждое из которых проходит через отдельный LC фильтр.
Аналоговая часть
В аналоговой части не используется напряжение смещения, используются два установленных коэффициента аттенюатора (1/1 и 1/16) и имеется буферный каскад на выходе. Причина, по которой выходной уровень контролируется цифровой частью, но с использованием аналогового аттенюатора в том, что таким образом исключается низкое вертикальное разрешение при малом диапазоне выходного напряжения.
Программная часть
Процесс цифрового синтеза сигнала (DDS)
На рисунке 6 показана диаграмма потоков данных в процессе DDS. Этот процесс приводится в действие в прерывании дискретизации, сигналом LRCK как показано ниже:
V 1 = WaveTable1 [(θ 1 += ω 1 ) % 8192] * Gain1;
V 2 = WaveTable2 [(θ 2 += ω 2 ) % 8192] * Gain2;
Результаты (V1 и V2) посылаются в ЦАП через параллельно-последовательный преобразователь. Регистры DDS ω и θ имеют разрядность 13.7 с фиксированной точкой. Для частоты дискретизации 102.4 кГц и между соседними двумя выборками остается 192 такта тактовой частоты. Подпрограмма, осуществляющая DDS может и не справиться со своей задачей за это время.
В процессе экспериментирования я достиг результата в 157 тактов процессора между выборками. Загрузка процессора при этом была 82% и мощность процессора, приблизительно в 3 МГц оставалась для основного процесса, при работающем DDS. На рисунке 7 показана временная диаграмма процесса DDS и выходных данных. В коде программы статические регистровые переменные определены для того, чтобы исключить временные задержки в процессе записи чтения данных при входе и выходе из подпрограммы обработки прерывания. Время ответа на прерывание для процесса DDS должно быть минимизировано, чтобы сохранить непрерывность формы сигнала, таким образом, другие подпрограммы обработки прерываний должны позволять вложенное прерывание, что достигается путем назначения прерыванию DDS наивысшего приоритета. Однако эти соображения не применяются к модулю доступа к файлам, потому как DDS всегда отключается при доступе к файлам (загрузке формы сигнала).
Управление формами сигнала
На фотографии вверху страницы изображена передняя панель. Параметры синтезируемого сигнала, такие как название формы, выходное напряжение, частота канала 1, частота канала 2 и его фаза, отображаются на LCD дисплее. Эти параметры могут быть изменены с помощью кнопок и углового кодера. Чтобы изменить форму сигнала, выберите ее с помощью углового кодера и установите с помощью левой кнопки со стрелкой.
На этом фото показан режим контроля фаз. В этом режиме частота канала 2 отслеживает изменения частоты канала 1 и фазовая задержка может быть задана с разрешением в 1 градус. Когда изменяется частота канала 2, устройство переходит в двух тональный режим. В этом режиме вместо фазы на дисплее отображается «***» и частота для каждого канала может быть задана индивидуально. Если вы измените фазовую задержку, устройство перейдет в режим контроля фазы и частота канала 2 установится равной частоте канала 1.
Изготовление печатной платы
Это система со смешанными сигналами, цифровая и аналоговая части расположены на одной плате. Требования к разработке систем со смешанными сигналами касаются размещения элементов и разведения общих проводов (аналоговой и цифровой земли). Но это не сложно, если все делать по общим правилам.
После того, как контроллер и ПЛИС запрограммированы, проверьте каждую функцию на работоспособность и проверьте, появляется ли сигнал заданной формы на выходе. Затем потребуется вольтметр переменного тока.
Во первых остановите генерацию и с помощью подстроечных резисторов VR1 и VR2, задающих напряжение смещения, задайте напряжение на входе коммутатора 0 вольт (на постоянном токе). Затем, запустите генерацию синусоидального сигнала напряжением 5 VRMS подстроечными резисторами VR3 и VR5 добейтесь значения выходного напряжения (переменного) 5 вольт, после чего подстроечными резисторами VR4 и VR6 настройте выходное напряжение в 0.34 В, после переключения аттенюатора (с высокого уровня на низкий). Наконец, настроечным конденсатором VC1 настройте тактовую частоту 19,660,800 Гц. Хотя этот конденсатор можно вообще исключить, так как для аудио измерений точности вполне хватает.
Результаты и соображения
Но форма остается гладко синусоидальной из за цифрового фильтра 8-го порядка (фильтр избыточной дискретизации).
Пользовательский интерфейс это наиболее важный аспект, влияющий на удобство использования. В этом проекте используются LCD дисплей, 4 кнопки со стрелками и угловой кодер и этим достигается удобство в использовании.
Характеристики функционального генератора с DDS
Контроллер: ATmega64 (ATMEL)
ПЛИС: ispLSI1016E (Lattice)
ЦАП: μPD63210 (NEC)
Количество каналов: 2
частота дискретизации: 102.4 кбит/с
вертикальное разрешение: 16 бит
длинна таблицы преобразования: 8192 чисел на канал
Частотный диапазон
(Ch1/Ch2 независимы)
Диапазон выходных напряжений
(Ch1/Ch2 одновременно)
Функциональный генератор
Функциональные генераторы относятся к измерительным приборам, вырабатывающим сигналы различных форм, т. е. различные «функции»: синусоидальную, треугольную, прямоугольную, пилообразную, ступенчатую, экспоненциальную, трапецеидальную и другие. Простейший функциональный генератор содержит замкнутые в кольцо интегратор и компаратор, образующие колебательную систему, генерирующую сигналы треугольной и прямоугольной формы. Из сигнала треугольной формы с помощью преобразователя напряжения «треугольник-синус» формируется сигнал синусоидальной формы.
Сигналы прямоугольной формы используются в практике радиолюбителя для контроля динамических характеристик
усилителей звуковой частоты и других низкочастотных устройств, а также для настройки цифровых устройств. Исследование низкочастотных устройств с помощью сигналов треугольной формы зачастую заменяет радиолюбителям сложные и дорогостоящие анализаторы спектра и селективные вольтметры. Дело в том, что незначительные искажения треугольного сигнала хорошо видны на экране осциллографа. Если воспользоваться испытательным сигналом синусоидальной формы, то визуально можно рассмотреть лишь искажения, имеющие коэффициент гармоник более 6…7%. В то же время на экране осциллографа можно невооруженным глазом увидеть такое искажение треугольной формы сигнала, которое эквивалентно коэффициенту гармоник порядка 1% сигнала синусоидальной формы.
Если не ставить целью получение синусоидального сигнала, схема генератора упрощается. Принципиальная схема прибора показана на рис. 9.8 и представляет собой генератор, управляемый напряжением. Генератор выполнен на микросхеме DA1, содержащей два ОУ. На DA1.1 выполнен интегратор, а на DA1.2 — компаратор. Плавное изменение частоты производится резистором R1, а дискретное — путем переключения конденсаторов С1—СЗ интегратора. Диапазон частот генератора от 20 Гц до 20 кГц разбит на три поддиапазона, которые устанавливают переключателем SA1.
Зарядка конденсатора интегратора осуществляется током
при этом на выходе (вывод 8 DA1.1) формируется линейно нарастающее напряжение. При достижении уровня переключения компаратора DA1.2, равного
последний переключается, в результате чего открывается транзистор VT.1 и конденсатор начинает разряжаться, а на выходе интегратора формируется линейно падающее напряжение. При достижении уровня
компаратор переключится в первоначальное состояние. Далее процесс продолжается в той же последовательности, а на выходе интегратора DA1.1 образуется сигнал треугольной формы. Через разделительный кбнденсатор С4 и резистор R9 он поступает на переменный резистор R10 и далее с его движка на гнездо XS2. Подбором резистора R9 устанавливают максимальное напряжение треугольного сигнала, равное 1… 1,5 В.
На выходе компаратора DA1.2 (вывод 6) получаются колебания прямоугольной формы, которые поступают на усилитель мощности — двухтактный эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторах VT2, VT3. С усилителя мощности через разделительный конденсатор С8 прямоугольные импульсы поступают на переменный резистор R18, а с его движка на выход — гнездо XS1. Включение двухтактного эмиттерного повторителя позволяет снимать прямоугольные импульсы постоянной амплитуды с выхода компаратора и увеличивает быстродействие генератора. Диоды VD1, VD2 задают смещение на базах транзисторов VT2, VT3 соответственно.
Частота генерируемых колебаний прибора определяется по формуле
где частота указана в Гц, С — емкость подключенного частотозадающего конденсатора, мкФ, Uri — напряжение на движке переменного резистора R1, В, Un — напряжение питания устройства, В. Достоинством схемы является то, что частота не зависит от величины питающего напряжения, поскольку делитель Rl, R2 подключен к тому же источнику питания. В результате напряжение на нем будет изменяться пропорционально изменению питающего напряжения. В то же время перекрытие по частоте зависит от напряжения питания и желательно, чтобы оно было стабилизированным.
Основная часть деталей генератора смонтирована на печатной плате (рис. 9.9) из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5..2 мм. Транзистор VT1 может быть любой серии КТ3102. Конденсаторы С1—СЗ типа К71, К73, К78, С4, С5, С8 — Ё50-35, К50-38, остальные К10-17, КД, КТ, КЛС. Переменные резисторы СП4, СП, СПО, постоянные МЛТ, С1-4, С2- 33. Переключатель — любой малогабаритный на 3 положения и 2 направления.
На передней панели прибора размещают переменные резисторы и гнезда. Для удобства пользования ручки переменных резисторов желательно снабдить шкалами.
При налаживании прибора, возможно, придется подобрать сопротивление резистора R2, чтобы обеспечить частоту генератора в первом поддиапазоне, равную 20 Гц. Движок переменного резистора R1 должен находиться в нижнем по схеме положении. Частоты поддиапазонов устанавливают подбором конденсаторов С1—СЗ. Максимальную амплитуду треугольного напряжения выставляют подбором резистора R9.
Частотные свойства ОУ позволяют увеличить диапазон рабочих частот генератора до 200 кГц. Если необходим такой диапазон, изменяют величины частотозадающих элементов. Например, можно ввести дополнительный поддиапазон, добавив еще один конденсатор Сдоп и изменить параметры частотозадающих цепей следующим образом: R3 = 22 кОм, R6 = 11 кОм, С1 = 0,22 мкФ, С2 = 0,022 мкФ, СЗ = 2200 пФ, Слоп
= 220 пФ.
Рис. 9.9. Печатная плата и размещение деталей функционального генератора