Цифровий генератор синусоїдальних коливань

Міністерство освіти РФ

Південно-Російський Державний Технічний Університет(НПІ)

ІНСТИТУТ ІІТУ _

КАФЕДРА А і Т _

СПЕЦІАЛЬНІСТЬ __ Карта електроніка__ _

Курсовий проект

з дисципліни В«Електронні промислові пристроїВ»

на тему В«Цифровий генератор синусоїдальних коливаньВ»

Виконав студент IV курсу, групи 1б Євченко С. Е

Прийняв Кононенко Т. П.

Новочеркаськ 2001

Завдання на курсовий проект
Зміст

Анотація. 5

Введення. 6

Генератори гармонійних коливань. 7

Створення структурної схеми генератора. 10

Опис роботи схеми .. 11

Розрахунки параметрів схеми, які забезпечуютьзадані умови. 12

Розрахунок значень даних які зберігаютьсяПЗУ. 15

Моделювання вузлів схеми. 16

Висновок. 20

Список використаної літератури .. 21

Перелік елементів. 22

Специфікація. 23

Анотація.

Завданням даногокурсового проекту буде розробити цифровий генератор синусоїдального сигналу,має стабільну амплітуду і перестраиваемую частоту в певномудіапазоні і форму сигналу, близьку до ідеальної.

Пояснювальна записка докурсового проекту складається з теоретичної та власне проектної частини.Теоретична частина включає в себе огляд способів формування періодичнихсигналів, наведено конкретні схеми, описані переваги і недоліки кожногометод.

Проектна частинамістить принципову схему цифрового генератора з її обгрунтуванням тарозрахунком, а також результати математичного моделювання вузлівспроектованого пристрою.

Введення.

Бурхливий розвитокцифрової електронної техніки дозволяє у все більшому числі випадківформування аналогових сигналів використовувати цифрові методи. Так як цифровігенератори аналогових сигналів мають ряд переваг:

- універсальність,оскільки вони дозволяють генерувати аналоговий

сигнал здовільною, заданої користувачем, формой;

- відсутністьобмеження по мінімальній частоті;

- високастабільність параметрів вихідного сигналу

та інші.

Цифрові генератори маютьуніверсальністю, влучністю і зручністю налаштування. Тому вони отримують всіпопулярнішими як вузли електронної апаратури, тат і яксамостійні устрою застосовувані при вимірах і налагодженні систем,працюють із складними сигналами.

Аналоговігенератори використовуються в тих випадках, коли немає високих вимог допараметрами генератора, чи важлива простота і мінімальна вартість вузла.

Генераторигармонійних коливань.

Генератором гармонійнихколивань називають пристрій, що створює змінне синусоїдальна напругаза відсутності вхідних сигналів. У схемах генераторів завжди використовуєтьсяпозитивний зворотний зв'язок.

Розрізняють аналогові і цифровігенератори.

Аналогові генераториперетворять енергію джерела постійної напруги в енергію змінноговихідного сигналу. , Генератор гармонійних коливань мусить мати поПринаймні одну частотно-виборчу ланцюг, яка б забезпечувалавиконання умови самозбудження на заданій частоті. В залежності від видучастотно-виборчої ланцюга розрізняє LC-генератори, RC-генератори, кварцові генератори і інші.

Для аналогових генераторівгармонійних коливань важливою проблемою є автоматична стабілізаціяамплітуди вихідної напруги. Якщо в схемі не передбачені пристроїавтоматичної стабілізації, стійка робота генератора виявиться неможливою.У цьому випадку після виникнення коливань амплітуда вихідної напругипочне постійно збільшуватися, і це призведе до того, що активний елементгенератора (наприклад, операційний підсилювач) ввійде в режим насичення. Врезультаті напруга на виході буде відрізнятися від гармонійного. Схемиавтоматичної стабілізації амплітуди досить складні. На рис. 1 показаний RC-генератор на ЗУ з спрощеним мостом Провина і найпростішоїсхемою стабілізації амплітуди.

Рис.1

На рис. 2 зображено спрощенасхема кварцевого генератора на основі операційного підсилювача при використанніпослідовного резонансу.

Рис.2

На частоті послідовногорезонансу у схемі має місце сильна позитивний зворотний зв'язок, що іпідтримує автоколивання. Кварцові резонатори характеризуються високоюстабільністю і добротністю. Використання кварцових резонаторів дозволяєзначно знизити відносне зміна частоти генераторів. Однак, укварцових генераторів утруднено оперативне зміна частоти вихідногосигналу.

На відміну від аналогових,цифрові генератори мають високої стабільністю, надійністю, можливістюзміни частоти генерованого сигналу в широких межах і універсальністю.

На рис. 3 зображено спрощенасхема кварцевого генератора на основі логічних инвертирующих елементах привикористання послідовного резонансу. Схема розроблена для роботи наосновний частоті кристала.

Рис.3

На рис. 4 зображено спрощенасхема кварцевого генератора на основі логічних инвертирующих елементах привикористання паралельного резонансу. Схема розроблена для роботи також наосновний частоті кристала.

4

На рис. 5 зображено спрощенасхема RC генератора на основілогічних инвертирующих елементах. Ця схема використовується в невідповідальнихчастинах пристрою, тому що вона має простотою реалізації, дешевизною деталейі не вимагає налаштування, Але її основною вадою є тимчасованестабільність і частота генератора змінюватиметься від модуля до модуля черезрозкиду параметрів компонентів.

Рис.5

Але для отриманнягенератора з високими вимогами до її параметрами доводиться використовуватибільш складні схеми. Саме такий генератор ми і будемо проектувати.

Принцип діїпроектованого цифрового генератора грунтується на тому, що в ПЗУ в цифровому виглядізаписують інформацію про необхідної формі сигналу, які послідовнозчитуються і передаються на ЦАП, яка формує аналоговий сигнал.

Створення структурноїсхеми генератора

Складемо структурну схемудля цифрового генератора синусоїдальних коливань на основі пам'яті. (Мал. 6)

Рис.6

ГТИ - забезпечує формуванняуправляючих імпульсів заданний частоти, які забезпечують необхідну частоту синусана виході;

ФА - формує поточний адресу длявибору даних з пам'яті;

ROM -видає поточне значення рівня сигналу на виході;

ЦАП - перетворює цифровезначення рівня сигналу в аналоговий рівень сигналу;

СУ - забезпечує необхіднуамплітуду сигналу на виході.

Схематично вид сигналу в кожному блоці наведено на рис.7.

Рис.7

Описроботи схеми

Тактовий генераторформує опорні імпульси з частотою, прямо пропорційної вихідний частотісинуса. Синхронізуючі імпульси з частотою надходитьна лічильник, на виході якого формується n-розряднийадресу мікросхеми пам'яті - число Х. Значення адреси змінюється в інтервалі від 0до (2 n -1). За кількістю Х на адресному вході ПЗУвибирає m-розрядне число У, що є значеннямвибірки сигналу - амплітуди синуса. Цифро-аналоговий перетворювачперетворює код вересня аналоговий сигнал.

У загальному виглядізалежність вихідної напруги U ЦАП біполярного ЦАП від вхідного коду числа Х при опорному напрузі U оп виражається формулою

.

Максимальна частота генерованихсигналів визначається за формулою

.

Розрахункипараметрів схеми, що забезпечу...ють задані умови.

Загальнапохибка апроксимації синусоїди складається з похибки квантуваннясигналу за рівнем, похибки дискретизації сигналу за часом і похибкилінійності ЦАП.

Найбільшкритичною з нашого схемою є похибка похибки лінійності ЦАП, т. к.він є основою схеми. Виберемо як ЦАП мікросхему К1108ПА2 - 8розрядний функціонально закінчений цифро-аналоговий перетворювач двійковогокоду в напругу, виконаний за біполярної технологій і має такіхарактеристики:

U п = В± 5 В;

л = В± 0.28%;

U вих = 2.5В;

t вуст = 1.5 мкс.

Мікросхему ПЗУтреба обирати за обсягом пам'яті і часу вибірки адреси.

Як ПЗУ зупинимося намікросхемі КР556РТ17 ємністю 512 x 8 біт, що маєнаступними параметрами:

t В.А. =50 нс.; U п = + 5 В.

Розрахуємотепер загальну похибка апроксимації синусоїди:

,

,

,

,

.

,

Отримана загальна похибкаапроксимації не перевищує заданого припустимого значення 1%.

6 - розрядний лічильникпобудуємо на основі мікросхеми К555ІЕ19, що містить два чотирирозряднийлічильника.

Як задає(Тактового) генератора в проектованому устрої використовуватимемо RC генератор на основі логічнихинвертирующих елементах, що забезпечує заданий коефіцієнт нестабільностічастоти.

При заданому діапазоні частотсигналу на виході пристрою (100 Гц - 1 кГц) і обраному числі кроківдискретизації (64) максимальна частота тактових імпульсів визначається як,

а мінімальна - як.

Граничначастота тактового генератора залежить від швидкодії ЦАП:

,що задовольняє використовуваному режиму генератора.

Розрахуємотепер значення елементів генератора тактових імпульсів для забезпеченняданого діапазону частот.

F = 1/(2 * ПЂ * R * C).

Задавшись R1= 2.5 кОм, R2 = 1.5 кОм.

При С = 6.8 нФ F = 63,6 кГц; T = 15,7 мкс.

При С = 68 нФ F = 6,36 кГц; T = 157 мкс.

Таким чином, вяк конденсатора З візьмемо перемінний конденсатор на 68 нФ.

А для більш точного підстроюваннячастоти послідовно з'єднаємо постійний резистор опором 2 кОм іперемінний - опором 1 кОм.

Для забезпеченнявисокої стабільності задає генератора виберемо високоякіснікерамічні конденсатори і термостабільні резистори.

Виходячи з того, що відпроектованого генератора непотрібен мале енергоспоживання, то в якостіцифровий виберемо ТТЛ базу як більш поширену, надійну і дешеву.

Оскільки робочі частотине перевищують 20 Мгц, то виберемо К555 - тую серію

як більш поширену,надійну і дешеву.

мають наступні параметри:

-напруга живлення +5 В,

-діапазон робочих температур від -10 до +70 0 С,

-рівень логічного нуля трохи більше 0.4В,

-вихідний рівень логічного одиниці щонайменше 2.6В,

-середня споживана одним логічним елементом потужність 2 мВт,

-середня затримка розповсюдження сигналу 20 нс.

Максимальний споживанийпристроєм струм вбирається у 0.35 А.

Задана амплітудасигналу на виході устрою забезпечуватиметься підсилювачем на ОУ зкоефіцієнтом підсилення

.

При цьому Rос = 3.6кОм, а R = 1 кОм.

Як ЗУ підійдуть мікросхемиК140УД26, має такі параметри:

- напруга живленняВ± 15 В;

- струмспоживання 4,7 мА;

- коефіцієнтпосилення 10 6 ;

- напругаусунення 0,025 мВ;

- вхідний струм 35нА.

Відповідно дообраними ЦАП, ПЗУ і параметрами самого влаштування у ролі які вньому цифрових мікросхем будуть застосовані мікросхеми серії 555, що мають наступніпараметри:

-напруга живлення +5 В,

-діапазон робочих температур від -10 до +70 0 С,

-рівень логічного нуля трохи більше 0.4В,

-вихідний рівень логічного одиниці щонайменше 2.6В,

-середня споживана одним логічним елементом потужність 2 мВт,

-середня затримка розповсюдження сигналу 20 нс.

- Максимальнийспоживаний пристроєм струм вбирається у 0.35 А.

Розрахунокзначень даних які зберігаються ПЗУ.

Вміст осередків ПЗУрозраховується за формулою

,

де n = 6, m = 8, А = 0 ... 2 n -1.

Отримані в результаті розрахунку64 8-розрядних числа від 0 до 255 і становлять вміст мікросхем ПЗУ(Табл.1).

Вміст ПЗУ

Адреса Вміст осередків 00 80 8C 98 A5 04 B0 BC C6 D0 08 DA E2 EA F0 0C F5 FA FD FE 10 FF FE FD FA 14 F5 F0 EA E2 18 DA D0 C6 BC 1C B0 A5 98 8C 20 80 73 67 5A 24 4F 43 39 2F 28 25 1D 15 0F 2C 0A 05 02 01 30 00 01 02 05 34 0A 0F 15 1D 38 25 2F 39 43 3C 4F 5A 67 73

Таблиця1.

Моделюваннявузлів схеми.

Моделювання будемо виробляти вСАПР OrCAD 9.1 - найбільш сучасною на моментнаписання проекту. В якості моделей Російських елементів використовуватимемоїх зарубіжні аналоги, мають відповідні характеристики.

На рис. 7 наведено графікперехідних процесів на конденсаторі задає генератора, а на рис.8 напругана виході генератора при частоті генератора на 64 кГц. Довжина періоду 15,7 мкс.

Рис.7

Рис.8

На рис. 9 наведено графікперехідних процесів на конденсаторі задає генератора, на рис. 10 напругана виході генератора при частоті генератора в 6.4 кГц. Довжина періоду 157 мкс.

Рис.9

Рис.10

На рис. 11 наведено графік сигналіввибору адреси, що з'являються на виходах лічильника при частоті формованого синуса1кГц.

Рис.11

На рис. 12 наведено графіксигналів значення амплітуди синуса, з'являються на висновках мікросхеми пам'яті.

Рис.12

На рис. 13 наведено графіксформованої синусоїди на виході ЦАП.

Рис.13

На рис. 14 наведено графікпідсумковій синусоїди на виході ОП, задає необхідне значення амплітудисигналу - 9 В. <.../p>

Рис.14

Висновок.

Відповідно дозавданням розробили цифровий генератор синусоїдальної напруги,повністю зрозумілу потрібним параметрами і забезпечує стабільнийвихідний сигнал амплітудою 9 У в діапазоні частот (100 ... 1000) Гц + 10 Гц.При цьому похибка відтворення синусоїди становить менше 1%.

Всітеоретичні розрахунки підтверджено шляхом моделювання схеми в САПР OrCAD 9.1

Списоквикористаної літератури В«ЕлектронікаВ» В. І. Лачін, Н. С.Савелов. Фенікс 2000р

2.ЖмуринД.Н. Математичні основи теорії систем: уч.пос. - Новочеркаськ, 1998

3.ЛебедєвО.Н., Мірошниченко А.І., Телець В.А. Вироби електронної техніки: цифровімікросхеми, мікросхеми пам'яті, мікросхеми ЦАП і АЦП. - М.: Радіо і зв'язок, 1994

4.Довідник. В«Інтегральні мікросхеми і їхні закордонні аналогиВ». ПідРедакція Нефедова А.В. М. Радіософт. 1994р. -

5.Довідник. В«Діоди, тиристори, транзистори і мікросхеми загальногопризначення В». Воронеж. 1994р.

Перелікелементів
Специфікація