Разработка генератора аналоговых сигналов

ГБОУ РМ СПО «Саранский техникум энергетики и электронной техники имени А.И. Полежаева»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: «Проектирование цифровых устройств»

Тема: «РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ»

Выполнила: Козлова Е.И.

Руководитель: Биушкин П. А.

2012 — 2013 учебный год

РЕФЕРАТ

Основные определения:

1. Аналоговый сигнал — сигнал, значения которого существуют и определяются в области непрерывного пространства, то есть в пространстве, которое не является дискретным.

2. Генератор сигналов — мера для воспроизведения электромагнитного сигнала (синусоидального, импульсного, шумового или специальной формы).

3. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд).

Цель работы: научиться распознавать аналоговые сигналы и разработать генератор аналоговых сигналов.

Задачи работы: исследовать аналоговые сигналы, генератор аналоговых сигналов и описать принцип разработки генератора аналоговых сигналов.

Предметом исследования является генератор аналоговых сигналов.

В результате исследования был изучен пример разработки генератора аналоговых сигналов и принцип его построения.

Степень внедрения: частичная.

1. Цифровые генераторы аналоговых сигналов

1.1 Аналоговый сигнал: общие сведения

1.2 Цифровые генераторы аналоговых сигналов

2. Разработка генератора аналоговых сигналов

2.1 Цифровая генерация аналоговых сигналов

2.2 Проектирование цифровой части генератора

2.3 Методы перебора адресов

2.4 Накапливающий сумматор для генератора аналоговых сигналов

2.5 Память и цифро-аналоговый преобразователь

Заключение

Список использованных источников Приложение

В данном курсовом проекте будет описан принцип разработки генератора аналоговых сигналов. Цель данной работы состоит в том, что бы научиться распознавать аналоговые сигналы и разработать генератор аналоговых сигналов. Таким образом, в течение работы над курсовым проектом будут рассмотрены и описаны схемы: выходного узла генератора и управления для генератора аналоговых сигналов. Также несколько графиков аналогового сигнала с подробным описанием.

Современный этап в развитии телефонии, радиовещания, телевидения, записи и воспроизведения звука характеризуется тенденцией к переходу на цифровую форму представления информации. Большинство первичных сигналов (ток, напряжение, скорость, давление и т. д.) представляются в аналоговой форме, и для обработки их с помощью электронной вычислительной машины (ЭВМ) они преобразуются в цифровой n-разрядный код.

Существуют различные методы цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования, реализующие различные алгоритмы функционирования и соответствующие структуры технической реализации.

Практическая реализация схем цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователя может быть выполнена на основе одной или нескольких микросхем в зависимости от используемой серии микросхемы и характеристик преобразователя (разрядности, быстродействия и т. д.).

На начальном этапе буду описывать цифро-аналоговый преобразователь генератора сигналов. Начну с того, что же такое аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал — это сигнал, значения которого существуют и определяются в области непрерывного пространства, то есть в пространстве, которое не является дискретным. Он описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом. Аналоговым сигналам противопоставляются дискретные (квантованные, цифровые). Здесь же рассмотрю генератор сигналов, так как данный курсовой проект связан с разработкой генератора сигналов. Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра). Так же генератор должен формировать сигналы произвольной формы с амплитудой, задаваемой управляющим кодом, работать в режиме автоматической (периодической) генерации и в режиме разовой генерации с остановкой генерации после окончания одного периода выходного сигнала. Управление работой генератора должно быть полностью цифровым.

Генератор имеет два выхода: один с низкочастотной фильтрацией, а другой без нее. По этому принципу построить схему выходного узла генератора, в результате чего, генератор аналоговых сигналов будет включать в себя еще и управляемый аттенюатор.

Проектирование цифровой части генератора начинается с того, что основной узел генератора должен представлять собой буферную оперативную память с периодическим режимом работы. Причем буфер этот должен быть однонаправленным. Перед началом работы в буфер заносится массив кодов выборок синтезируемого сигнала, а во время работы генератора адреса памяти опрашиваются в нужном темпе, и выходные коды памяти подаются на цифро-аналоговый преобразователь. Отсюда и начинает свое формирование аналоговый сигнал. Проблема состоит в выборе нужного объема памяти и в способе перебора адресов для обеспечения нужной частоты выходного сигнала.

Существует два основных способа перебора адресов памяти генератора аналоговых сигналов.

Первый, простейший способ предусматривает перебор адресов памяти генератора с помощью обычного двоичного счетчика. В данном случае, опрашиваются все адреса памяти подряд. Главное достоинство данного метода состоит в том, что при изменении частоты выходного сигнала не меняется точность воспроизведения формы выходного сигнала.

Второй способ перебора адресов памяти генератора аналоговых сигналов, состоит в применении накапливающего сумматора с переменным шагом суммирования. В память заносится массив кодов выборок периода требуемого сигнала. Но при генерации опрашиваются не все адреса памяти подряд, а только адреса с шагом, задаваемым входным кодом накапливающего сумматора M. Чем больше этот шаг, тем быстрее будет пройден весь объем памяти и тем больше будет частота выходного сигнала генератора.

Наконец, последний узел генератора аналоговых сигналов — это память с цифро-аналогового преобразователя. Прежде всего, надо обеспечить, чтобы цифро-аналоговый преобразователь, формирующий выборки аналогового сигнала по кодам из памяти, выдавал как положительные, так и отрицательные сигналы, то есть был биполярным. Это существенно повысит универсальность генератора. Цифро-аналоговый преобразователь должен формировать выходное напряжение (а не выходной ток), что позволит более просто обрабатывать выходной сигнал выходным узлом.

В данном курсовом проекте предметом исследования является генератор аналоговых сигналов. Так как на протяжении всего проекта буду исследовать аналоговый сигнал, и описывать принцип разработки генератора аналоговых сигналов.

Основными задачами данной работы являются: исследовать аналоговый сигнал, научиться распознавать его и рассмотреть генератор аналоговых сигналов. А после того как подобрали нужный принцип, описать разработку генератора аналоговых сигналов.

1. ЦИФРОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

1.1 Аналоговый сигнал: общие сведения

Аналоговый сигнал — сигнал, значения которого существуют и определяются в области непрерывного пространства, то есть в пространстве, которое не является дискретным.

Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом. Аналоговым сигналам противопоставляются дискретные (квантованные, цифровые). При этом имеются в виду не восстановленные аналоговые сигналы, полученные из дискретных сигналов системами восстановления типа цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Например, в цифровой фотографии аналоговые сигналы фотосенсоров типа Foveon X3-сенсор, 3CCD-сенсор, (без светофильтров Байера), оцифровываются путём дискретизации системами квантования типа аналогово-цифрового преобразователя для дальнейшей обработки и хранения. В дальнейшем эта информация восстанавливается в первоначальный аналоговый сигнал.

Виды аналогового сигнала:

— прямая: электрическое напряжение;

— окружность: положение ротора, колеса, шестерни, стрелки аналоговых часов или фаза несущего сигнала;

— отрезок: положение поршня, рычага управления, жидкостного термометра или электрический сигнал, ограниченный по амплитуде;

— многомерные пространства: цвет, квадратурно-модулированный сигнал;

— восстановленный аналоговый сигнал из цифрового, системой цифро-аналогового преобразователя.

1.2 Цифровые генераторы аналоговых сигналов: краткая характеристика

Генератор сигналов — мера для воспроизведения электромагнитного сигнала (синусоидального, импульсного, шумового или специальной формы). Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра). Генераторы применяются для проверки и настройки радиоэлектронных устройств, каналов связи, при поверке и калибровке средств измерений и в других целях.

Цифровые генераторы (или, как их еще называют, синтезаторы) аналоговых сигналов произвольной формы часто используются при отладке различных аналоговых и аналого-цифровых устройств и систем. Они позволяют не только получить сигналы разных стандартных и нестандартных форм, но и обеспечить высокую точность задания амплитуды и частоты сигнала, не достижимые в случае обычных аналоговых генераторов. Цифровые генераторы работают обычно под управлением компьютеров или контроллеров, что обуславливает большие удобства пользователя и широкие возможности по заданию разнообразных форм сигналов и по их хранению.

Генератор должен формировать сигналы произвольной формы с амплитудой, задаваемой управляющим кодом, работать в режиме автоматической (периодической) генерации, а также в режиме разовой генерации с остановкой генерации после окончания одного периода выходного сигнала. Управление работой генератора должно быть полностью цифровым.

Отметим, что в реальности сигналы сложной формы, как правило, бывают низкочастотными. Они встречаются, например, при виброиспытаниях, в медицинской технике, в сейсмической технике и т. д. Высокочастотные сигналы обычно имеют довольно простую форму, например, синусоидальную. Поэтому наш простой генератор, рассчитанный на невысокие частоты, будет, тем не менее, удовлетворять требованиям довольно широкого спектра применений.

2. РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

2.1 Цифровая генерация аналоговых сигналов

В этом разделе курсового проекта будет описан принцип разработки генератора аналоговых сигналов рассчитанного на звуковой диапазон частот выходного сигнала 20 Гц … 20 кГц (период от 50 мкс до 50 мс). Генератор должен формировать сигналы произвольной формы с амплитудой, задаваемой управляющим кодом, и работать в режимах автоматической (периодической) генерации и разовой генерации с остановкой генерации после окончания одного периода выходного сигнала. Управление работой генератора должно быть полностью цифровым.

Разработку генератора следует начать «с конца», то есть с того выходного сигнала, который он должен формировать.

Выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя U_ЦАП представляет собой ступенчатую функцию, которую можно представить в виде суммы идеального («гладкого») аналогового сигнала U_ВЫХ и пилообразного сигнала помехи U_ПОМ (рисунок 1). Схема цифро-аналогового преобразователя показана в приложении А.

Сигнал помехи U_ПОМ имеет основную частоту, равную частоте поступления входных кодов на цифро-аналоговый преобразователь. Для сглаживания ступенек выходного сигнала цифро-аналогового преобразователя и приближения его к идеальному сигналу U_ВЫХ можно применить простой аналоговый фильтр низкой частоты (ФНЧ), который должен существенно ослаблять сигнал помехи, но не ослаблять полезный выходной сигнал генератора. На рисунке 1 частота полезного сигнала в 16 раз меньше частоты сигнала помехи, поэтому задача фильтрации не слишком сложна. Однако от генератора сигналов произвольной формы может понадобиться синтез выходных сигналов с крутыми фронтами (например, прямоугольных или пилообразных сигналов). В этом случае применение такого выходного фильтра низкой частоты может исказить выходные сигналы, затянув их фронты. Поэтому целесообразно предусмотреть два выхода генератора: один с низкочастотной фильтрацией, а другой без нее.

Рисунок 1 — Цифровая генерация аналогового сигнала Помимо фильтра низкой частоты, выходной узел генератора сигналов должен содержать схему задания амплитуды выходного сигнала. В случае использования оперативной памяти для хранения кодов выборок выходного сигнала, схема задания амплитуды может и отсутствовать. При этом в память необходимо заносить коды выборок сигнала с нужной амплитудой. Однако такой подход не слишком удобен, так как он требует пересчета всех кодов выборок для каждой новой амплитуды сигнала выбранной формы. Гораздо удобнее сделать так, чтобы в памяти всегда хранились коды выборок сигнала с максимально возможной амплитудой, а выходной сигнал с цифро-аналогового преобразователя ослаблялся управляемым аттенюатором в нужное количество раз.

В результате схема выходного узла генератора аналоговых сигналов будет включать в себя еще и управляемый аттенюатор (рисунке 2).

Рисунок 2 — Схема выходного узла генератора Аналоговый фильтр нижней частоты должен иметь коэффициент передачи в полосе пропускания, равный единице и частоту среза, обеспечивающую эффективное подавление сигнала помехи. Тип схемы фильтра и его порядок не слишком важны. Для удобства пользователя целесообразно сделать фильтр неинвертирующим, чтобы выходные сигналы на обоих выходах генератора (U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2) были одной полярности. Аттенюатор управляется 8-разрядным кодом амплитуды, что обеспечивает коэффициент деления сигнала от 1/256 до 1. Если амплитуда исходного сигнала U_ЦАП равна 10 В, то амплитуда выходного сигнала (U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2) может быть задана с точностью около 40 мВ. Увеличение разрядности кода амплитуды потребовало бы принятия специальных мер, так как слишком малые аналоговые сигналы сильно искажаются шумами и помехами по цепям питания. Цифро-аналоговый преобразователь необходимо применять умножающий с биполярным выходом, чтобы обрабатывать как положительные, так и отрицательные выходные сигналы.

2.2 Проектирование цифровой части генератора

Основной узел генератора должен представлять собой буферную оперативную память с периодическим режимом работы. Причем буфер этот должен быть однонаправленным. Перед началом работы в буфер заносится массив кодов выборок синтезируемого сигнала, а во время работы генератора адреса памяти опрашиваются в нужном темпе, и выходные коды памяти подаются на цифро-аналоговый преобразователь, формирующий аналоговый сигнал U_ЦАП. Проблема состоит в выборе нужного объема памяти и в способе перебора адресов для обеспечения нужной частоты выходного сигнала. Память может также быть постоянной (ПЗУ), если необходимо формировать одну или несколько постоянных форм сигналов. В этом случае операция записи в память исключается, но проблема выбора способа перебора адресов памяти остается.

Существует два основных способа перебора адресов памяти генератора аналоговых сигналов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Рисунок 3 — Опрос памяти с помощью двоичного тока

2.3 Методы перебора адресов

Первый, простейший способ предусматривает перебор адресов памяти генератора с помощью обычного двоичного счетчика. В данном случае, опрашиваются все адреса памяти подряд. Изменение частоты аналогового выходного сигнала генератора производится с помощью изменения тактовой частоты этого счетчика, для чего используется тот или иной управляемый делитель частоты опорного кварцевого генератора (рисунке 3). Частота выходного сигнала будет определяться при таком решении по формуле (1.1).

(1.1)

где F_вых — частота выходного сигнала;

F_Г — частота задающего кварцевого генератора;

N — управляющий код делителя частоты;

n — разрядность счетчика (разрядность шины адреса памяти).

Главное достоинство данного подхода состоит в том, что при изменении частоты выходного сигнала не меняется точность воспроизведения формы выходного сигнала. Ведь точность воспроизведения формы аналогового сигнала зависит в первую очередь от количества выборок, приходящихся на период выходного сигнала, а здесь оно постоянно и равно количеству адресов памяти. Например, если память имеет 1К адресов, то выходной сигнал при любой частоте будет задаваться с помощью 1024 точек, и он всегда будет иметь 1024 ступеньки.

Однако данное решение имеет и серьезные недостатки. Основной его недостаток состоит в том, что частота сигнала помехи в данном случае прямо пропорциональна частоте выходного аналогового сигнала генератора (она больше частоты выходного сигнала во столько раз, сколько адресов имеет память). Например, при 1К адресов памяти частота сигнала помехи в 1024 раз больше частоты выходного сигнала, и при изменении частоты выходного сигнала в 1000 раз также в 1000 раз будет изменяться частота сигнала помехи. Отфильтровать такую помеху переменной частоты чрезвычайно трудно, если не невозможно, так как требуется применение фильтра с частотой среза, изменяемой в очень широких пределах.

Другой существенный недостаток данного метода связан с высокими требованиями к быстродействию цифро-аналогового преобразователя. Например, если максимальная частота выходного аналогового сигнала генератора должна быть 20 кГц, а память имеет 1К адресов, то цифро-аналоговый преобразователь должен успевать работать с частотой более 20 МГц. То есть иметь время установления менее 50 нс. При большей частоте выходного сигнала и при большем объеме памяти требования к быстродействию Цифро-аналогового преобразователя будут еще выше. И с такой же скоростью должна работать буферная память, то есть требования к быстродействию памяти также велики.

Второй возможный способ перебора адресов памяти генератора аналоговых сигналов состоит в применении накапливающего сумматора с переменным шагом суммирования (рисунок 4).

Рисунок 4 — Опрос памяти с помощью накапливающего сумматора В память, как и в предыдущем случае, заносится массив кодов выборок периода требуемого сигнала. Но при генерации опрашиваются не все адреса памяти подряд, а только адреса с шагом, задаваемым входным кодом накапливающего сумматора M. Чем больше этот шаг, тем быстрее будет пройден весь объем памяти и тем больше будет частота выходного сигнала генератора. И, соответственно, чем меньше шаг, тем больше времени потребуется на опрос всех адресов памяти, тем меньше будет частота выходного сигнала генератора.

При изменении шага опроса памяти изменяется и количество выборок на период выходного сигнала, что приводит к изменению точности воспроизведения формы сигнала. Количество выборок К на период выходного сигнала вычисляется по формуле (1.2)

(1.2)

где K — количество выборок;

n — количество разрядов адреса памяти;

М — управляющий код накапливающего сумматора.

А частота выходного аналогового сигнала определяется формулой (1.3)

(1.3)

где F_вых — частота выходного сигнала;

F_Г — частота задающего кварцевого генератора;

M — управляющий код накапливающего сумматора;

n — количество разрядов адреса памяти.

То есть выходная частота прямо пропорциональна управляющему коду M, а не обратно пропорциональна, как в предыдущем случае.

Главное достоинство данного подхода состоит в том, что сигнал помехи на выходе всегда имеет одну и ту же частоту, равную частоте задающего кварцевого генератора F_Г, независимо от частоты выходного аналогового сигнала. Поэтому такую помеху легко отфильтровать, никакой перестройки частоты среза фильтра не требуется.

Другое важное достоинство данного решения состоит в том, что по мере роста частоты выходного сигнала генератор сам пропорционально уменьшает количество выборок на период выходного сигнала, поэтому требования к быстродействию цифро-аналогового преобразователя, формирующего выходной сигнал, не слишком жесткие. Цифро-аналоговый преобразователь может быть в несколько раз более медленным, чем в предыдущем случае, при такой же максимальной выходной частоте. Или, можно сказать и так, при том же самом цифро-аналоговом преобразователе генератор может выдавать выходные сигналы с гораздо более высокой частотой. Точно так же снижаются и требования к быстродействию памяти. Это приводит к тому, что объем памяти в данном случае может быть гораздо больше, чем в предыдущем.

Данный метод имеет и существенный недостаток. С ростом частоты выходного сигнала его форма будет передаваться все более грубо, ступеньки будут все больше. На рисунке 5 приведен пример воспроизведения формы синусоидального сигнала, записанного в память объемом 32Кх8 для двух разных шагов наращивания адреса М (количество выборок на период К = 16 и К = 48). Понятно, что точность воспроизведения формы сигнала сильно зависит от кода М и это может привести к тому, что некоторые фрагменты сигналов сложной формы могут быть пропущены. К тому же в случае, когда количество выборок на период выходного сигнала К не равно целому числу, периоды выходного сигнала будут несколько отличаться один от другого. Смягчает этот недостаток уже упоминавшееся обстоятельство, что в природе сигналы сложной формы обычно низкочастотные, а именно низкочастотные сигналы воспроизводятся при данном методе наиболее точно.

Исходя из всех этих соображений, останавливаем свой выбор именно на этом, втором методе.

Рисунок 5 — Опрос памяти с разными шагами (количество выборок на период К = 16 и К = 48)

Примем для дальнейшего проектирования, что минимальное количество выборок на период выходного сигнала будет равно 32, а максимальное будет равно количеству адресов памяти. Так как от генератора требуется большой диапазон выходных частот (частоты могут различаться в 1000 раз), объем памяти должен быть большим. Если минимальное количество выборок на период равно 32, то максимальное количество выборок на период потребуется в тысячу раз больше, то есть 32 000. Поэтому количество адресов памяти не должно быть меньше 32 000. Возьмем память с количеством адресов, равным 32К.

Количество разрядов данных памяти, определяющее точность задания величины выборок выходного сигнала, не стоит брать слишком большим. Ведь на формируемый аналоговый сигнал будут накладываться помехи от цифровой части схемы, поэтому чрезмерно точное задание величин выборок выходного сигнала окажется попросту излишним. Поэтому выберем количество разрядов данных памяти равным 8, то есть память будет иметь организацию 32Кх15.

2.4 Накапливающий сумматор для генератора аналоговых сигналов

Теперь спроектируем накапливающий сумматор для генератора аналоговых сигналов.

Как уже отмечалось, частота выходного аналогового сигнала прямо пропорциональна управляющему коду накапливающего сумматора М. Абсолютная погрешность установки частоты составит 0,5/М. Поэтому для малых частот погрешность установки частоты будет максимальной. Например, если коду М = 1 будет соответствовать частота 20 Гц, то следующее разрешенное значение частоты будет равно 40 Гц (при М = 2). Это не слишком удобно, хорошо бы иметь точность установки частоты не ниже хотя бы 10% во всем частотном диапазоне. Возьмем, например, абсолютную погрешность установки частоты 0,5 Гц. Значит, при М = 1 генератор должен выдавать частоту 1 Гц. Такие низкие частоты мы можем просто не использовать, зато частота 20 Гц (при М = 20) будет иметь точность установки 2,5%. Разрешенные значения частот вблизи 20 Гц составят при этом 19 Гц, 20 Гц, 21 Гц.

Выберем теперь величину тактовой частоты накапливающего сумматора (то есть частоты задающего кварцевого генератора). Максимальная частота выходного сигнала нашего генератора должна быть равна 20 кГц, при этом на период выходного сигнала должно приходиться 32 выборки. То есть тактовая частота накапливающего сумматора должна быть не менее 20 кГц * 32 = 640 кГц. Выберем с запасом тактовую частоту равной 1 МГц. Максимальная частота выходного аналогового сигнала при 32 выборках на период будет при этом составлять 1 МГц/32 = 31,25 кГц.

Количество разрядов накапливающего сумматора должно быть таким, чтобы он обеспечивал весь выбранный частотный диапазон. Нетрудно подсчитать, что нам потребуется 20-разрядный накапливающий сумматор (так как 220 = 1 048 576), то есть при тактовой частоте 1 МГц минимальный период выходного сигнала составит 1 048 576 тактов или чуть более одной секунды, что примерно соответствует частоте выходного сигнала в 1 Гц.

Если использовать 4-разрядные микросхемы полных сумматоров (ИМ3 или ИМ6), то для построения 20-разрядного сумматора потребуется 5 микросхем сумматоров. Для запоминания выходного кода сумматоров надо будет использовать три микросхемы 8-разрядных регистров, причем регистры эти должны быть со входом сброса (например, ИР35) для начального сброса накапливающего сумматора.

Получившаяся в итоге схема накапливающего сумматора приведена на рис. 6. В качестве тактового сигнала она использует в режиме генерации сигнал с кварцевого генератора частотой 1 МГц (разрешающий сигнал «ген.»), а в режиме записи в память кодов выборок — строб записи в память «- зап.». На входы адреса памяти подаются сигналы 15 старших выходных разрядов накапливающего сумматора, а 5 младших разрядов накапливающего сумматора не используются. Код частоты М подается на 15 младших входных разрядов накапливающего сумматора, а на старшие 5 разрядов поданы нулевые сигналы. В результате при максимальном коде М=32 767 накапливающий сумматор будет переполняться за 32 такта (выходная частота 31,25 кГц), а при минимальном коде М=1 — за 1 048 576 тактов (выходная частота около 1 Гц).

Рисунок 6 — Накапливающий сумматор генератора аналоговых сигналов Перед началом записи в память накапливающий сумматор должен быть сброшен в нуль сигналом «- сброс нс». Во время записи в память каждый строб записи «- зап.» должен увеличивать на единицу адрес памяти, поэтому код частоты М должен быть установлен в данном режиме равным 32 (двоичный код 100 000).

Условия правильной работы накапливающего сумматора следующие. За период тактового генератора должны успеть сработать регистр и сумматор. В нашем случае это условие довольно легко выполняется, так как период тактового генератора 1 мкс. Но при построении более высокочастотных генераторов аналоговых сигналов требуется более высокая тактовая частота, и при этом может уже сказаться накопление задержек переноса пяти микросхем сумматоров. При тактовой частоте больше 10 МГц это уже может вызвать большие проблемы. Точно так же за период следования стробов записи в памяти «- зап.» должны успевать срабатывать регистр и сумматоры. Это условие обычно значительно проще выполнить, чем первое.

Посмотрим, какой будет частота сигнала помехи, и какой должна быть частота среза выходного аналогового низкочастотного фильтра. При управляющем коде частоты М больше или равном 32 каждый тактовый импульс будет вызывать изменение адреса памяти. Поэтому частота помехи будет равна частоте тактового генератора (1 МГц). Это соответствует частоте выходного сигнала, большей 32 Гц. Однако нам надо обеспечить нижнюю частоту выходного аналогового сигнала 20 Гц.

Если код частоты М будет лежать в пределах от 16 до 31, то адрес памяти будет изменяться не реже одного раза на два такта тактового генератора. Частота помехи будет не менее 500 кГц. То есть при частоте выходного сигнала, большей 16 Гц, частота сигнала помехи будет в пределах от 500 кГц до 1 МГц. Максимальная частота выходного аналогового сигнала равна 31,25 кГц. Значит, частота среза фильтра должна быть такой, чтобы сильно ослаблять частоты, большие 500 кГц, но не искажать частоты, меньшие 31,25 кГц. Эти частоты различаются в 16 раз, поэтому фильтр построить не слишком сложно.

В результате мы получаем, что выбранная схема накапливающего сумматора обеспечивает диапазон частот выходного аналогового сигнала от 16 Гц до 31,25 кГц, причем погрешность установки частоты составляет 0,5 Гц во всем частотном диапазоне. Количество выборок сигнала на период будет изменяться от 32 на верхнем краю частотного диапазона до 32К на нижнем краю частотного диапазона. Это вполне удовлетворяет требованиям к генератору, сформулированным в начале данного раздела.

Переходим теперь к проектированию схемы управления для генератора аналоговых сигналов.

Схема управления генератора должна обеспечивать два режима работы: режим записи в память и режим генерации. Причем генерация может быть как автоматическая (периодическая), так и разовая. Эти режимы реализуются простой схемой на двух триггерах (рисунке 7).

Рисунок 7 — Схема управления для генератора аналоговых сигналов Первый (левый по рисунку) триггер служит для разрешения или запрещения генерации. По внешнему сигналу «строб» (положительный фронт) в него записывается единица для разрешения генерации или нуль для запрещения генерации. Выходной сигнал «ген.» используется для разрешения тактовых импульсов накапливающего сумматора (рисунок 8) и для управления остальной частью схемы. Перед началом работы генератора этот триггер сбрасывается в нуль внешним сигналом начального сброса «- сброс».

Второй (правый по рисунку) триггер служит для организации режима разового запуска генератора. При запрете, генерации этот триггер сброшен в нуль сигналом «ген.» (единица на инверсном выходе). При разрешении генерации этот триггер срабатывает по отрицательному фронту на старшем разряде накапливающего сумматора (сигнал «ст. р.» со схемы на рисунке 8), то есть по переполнению накапливающего сумматора, возникающему после окончания одного периода аналогового сигнала. Если внешний управляющий сигнал «раз./- авт.» установлен в нуль (автоматический запуск), то ничего не происходит, триггер остается сброшенным. Если же внешний сигнал «раз./- авт.» установлен в единицу (разовый запуск), то после окончания одного периода выходного аналогового сигнала генератора второй триггер перебросится в единицу (нуль на инверсном выходе) и сбросит тем самым первый триггер, запретив генерацию. Узнать об этом можно, анализируя флаг генерации — сигнал «ген.». Для нового разрешения генерации надо снова записать единицу в первый триггер.

генератор аналоговый сигнал цифровой

2.5 Память и цифро-аналоговый преобразователь

Наконец, последний узел генератора аналоговых сигналов — это память с цифро-аналогового преобразователя.

Прежде всего, надо обеспечить, чтобы цифро-аналоговый преобразователь, формирующий выборки аналогового сигнала по кодам из памяти, выдавал как положительные, так и отрицательные сигналы, то есть был биполярным. Это существенно повысит универсальность генератора. Цифро-аналоговый преобразователь должен формировать выходное напряжение (а не выходной ток), что позволит более просто обрабатывать выходной сигнал выходным узлом (рисунок 2). Требования к быстродействию цифро-аналогового преобразователя в нашем случае невелики: коды всегда поступают на него с периодом в 1 мкс, значит, за это время цифро-аналоговый преобразователь должен успеть установить свое выходное напряжение. Таких цифро-аналоговых преобразователей существует довольно много. Опорное напряжение цифро-аналогового преобразователя удобно выбирать равным 10 В, что обеспечит размах выходного сигнала от -10 В до +10 В. При этом шаг изменения выходного сигнала (минимально возможная высота ступеньки) составит 20В/256, то есть около 80 мВ. Но это только для сигнала максимальной амплитуды 10 В. Если же требуется генерация сигнала с амплитудой 1 В (ослабление выходным аттенюатором в 10 раз), то шаг изменения выходного сигнала будет около 8 мВ.

Входной код цифро-аналогового преобразователя (то есть выходной код буферной памяти) должен фиксироваться в параллельном регистре, чтобы все разряды этого кода подавались на входы цифро-аналогового преобразователя одновременно. В момент отсутствия генерации на выходе цифро-аналоговый преобразователь должно быть нулевое напряжение, поэтому данный регистр должен иметь вход сброса, на который подается сигнал «ген.». Однако надо учитывать, что при биполярном выходе цифро-аналогового преобразователя нулевому уровню выходного сигнала соответствует не нулевой код 0, а код 10 000 000 (с единицей в старшем разряде). Поэтому регистр должен сбрасываться не в нуль, а именно в состояние 10 000 000. При этом просто поставить дополнительный инвертор на старший разряд кода нельзя, так как он внесет задержку, и старший разряд кода будет устанавливаться позже остальных разрядов, что может вызвать недопустимо большие выбросы выходного напряжения. Поэтому этот входной регистр цифро-аналогового преобразователя должен иметь как прямые, так и инверсные выходы (например, ТМ8), причем все разряды, кроме старшего, надо брать с прямых выходов регистра, а старший разряд — с инверсного выхода. Это обеспечит одновременное изменение всех разрядов кода. Для компенсации инверсии старшего разряда надо дополнительно проинвертировать сигнал старшего разряда на входе регистра.

Память выборок сигнала целесообразно использовать многоразрядную с совмещенной входной и выходной шинами данных, что позволит упростить схему. Микросхемы с организацией 32Кх8 выпускаются многими фирмами. Память лучше брать нетактируемую, чтобы в режиме чтения (при генерации) можно было постоянно подавать на входCS сигнал логического нуля. Быстродействие памяти не слишком критично, так как перебор адресов происходит довольно медленно. За период тактового сигнала (1 мкс) в режиме чтения должен успеть сработать регистр накапливающего сумматора, и память должна успеть выдать читаемый код (с задержкой выборки адреса).

Совмещенная шина входных/выходных данных памяти требует применения однонаправленного входного буфера, через который в режиме записи на память будут подаваться записываемые в память коды выборок генерируемого сигнала. Буфер должен открываться тем же сигналом, который подается на входWR памяти. Во время генерации буфер должен быть закрыт.

В результате схема буферной памяти с цифро-аналогового преобразователя для генератора аналоговых сигналов будет выглядеть так, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8 — Память и цифро-аналоговый преобразователь генератора аналоговых сигналов

Перед началом работы в память должны быть записаны коды выборок (8-разрядная шина «зап. дан».) по стробу «- зап.». Данные должны выставляться до начала строба и сниматься после его окончания. Во время строба записи «- зап.» память переходит в режим записи (сигналWR), а буфер открывается (сигналыEZ1 иEZ2). За счет задержки буфера, записываемые данные снимаются с входов данных памяти позже, чем заканчивается сигнал «- зап.». Поэтому данные записываются в память. По окончании сигнала «- зап.» происходит смена адреса памяти (рисунок 6). Всего должно быть проведено 32К циклов записи для полного заполнения памяти.

Когда начинается генерация (сигнал «ген.»), адреса памяти перебираются накапливающим сумматором, а читаемая из них информация записывается по сигналу «такт» (рисунок 6) в 8-разрядный регистр (две микросхемы ТМ8), а затем поступает на входы цифро-аналогового преобразователя. В результате выдача выборок выходного сигнала (U_ЦАП) задерживается на один такт относительно момента чтения из памяти, но эта задержка, как правило, не имеет никакого значения. После окончания генерации регистр сбрасывается в состояние 10 000 000, соответствующее нулю выходного сигнала U_ЦАП. Так как по сигналу начального сброса «- сброс» (рисунок 7) генерация запрещается, на выходе генератора в этот момент также будет нулевое напряжение.

Таким образом, схема генератора аналоговых сигналов полностью спроектирована.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данного курсового проекта были изучены теоретические основы аналоговых сигналов, их характеристики и виды, выведены необходимые формулы и разработан генератор аналоговых сигналов. Разобрали пример разработки цифрового генератора аналоговых сигналов. Спроектировали цифровую часть, память, цифро-аналоговый преобразователь, накапливающий сумматор. Таким образом, все поставленные цели были освоены, задачи — раскрыты и достигнуты.

В результате исследования отметим, что управление разработанного генератора аналоговых сигналов лучше возложить на компьютер или управляющий интеллектуальный контроллер, что существенно упростит работу с ним.

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении, записи и для воспроизведения звука, поэтому являются неотъемлемой частью нашей жизни.

Основные недостатки аналогового сигнала заключаются в том, что он может быть искажен помехами и сигнал доступен для восприятия всеми устройствами, работающими по тому же принципу, что и передатчик.

В процессе работы над данным курсовым проектом я понял, как распознавать аналоговый сигнал и разобрал один из принципов разработки генератора аналоговых сигналов. Знание этого мне позволило лучше понимать работу аналоговых сигналов. Оценил все его минусы и плюсы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Калабекова Б. А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: учебное пособие — М: Горячая линия — Телеком —: М 2007 — 336с

2. Лехин С. Н. Схемотехника ЭВМ: учебное пособие — С-П: БХВ — Питербург — С-П: 2010;379с

3. Медведев Б. Л., Пирогов Л. Г. Практическое пособие по цифровой схемотехнике: практическое пособие — М: Мир, 2004. — 408с

4. Межлумян А. Цифровой генератор аналоговых сигналов. — Радио: 2007, № 10;

5. Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования: учебное пособие — М: Мир «2001» -М: 2009 — 379с

6. Псурцев В., Федоров М. Цифровой синтез аналогового сигнала. — Радио: 2008, № 2.

7. Собакин Е. Л. Цифровая схемотехника: учебное пособие — Томск: ТПУ, 2002. — 160с

8. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: справочник — М: Инфра-М: 2010 — 515с

ПРИЛОЖЕНИЕ

Схема цифро-аналогового преобразователя