Цифровой генератор синусоидальных колебаний

Министерство  образования Республики Беларусь 

Учреждение  образования 

«Гродненский  государственный  университет имени  Янки Купалы» 
 

физико-технический  факультет 
 
 
 
 
 
 

курсовой  проект

по специальности 

на тему: Цифровой генератор синусоидальных колебаний. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Студент: 

4 курса, А  группы, заочного отделения

Специальности                                           __________        ______          Виль А. Г

Промышленная  электроника

                                                                                     Подпись         Дата   
 

руководитель:

                              _______         _______         ______      

                                Оценка         Подпись          Дата    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Гродно, 2010

Содержание

Аннотация…………………………………………………………………………...3

Введение…………………………………………………………………………….4

Генераторы гармонических колебаний…………………………………………...5

Создание  структурной схемы генератора………………………………………...8

Описание  работы схемы……………………………………………………………9

Расчеты параметров схемы, обеспечивающих заданные условия……………..10

Расчёт  значений данных хранимых в  ПЗУ……………………………………...14

Моделирование узлов схемы……………………………………………………..15

Заключение………………………………………………………………………...19

Список использованной литературы……………………………………………..20

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Аннотация.     

         Задачей данного курсового проекта будет разработать цифровой генератор синусоидального сигнала, имеющего стабильную амплитуду и перестраиваемую частоту в определённом диапазоне и форму сигнала, близкую к идеальной.   

         Пояснительная записка к курсовому проекту состоит из теоретической и собственно проектной части. Теоретическая часть включает в себя обзор способов формирования периодических сигналов, приведены конкретные схемы,  описаны достоинства и недостатки каждого метод.

Проектная часть содержит принципиальную схему цифрового генератора с ее обоснованием и расчетом, а также результаты математического моделирования узлов спроектированного устройства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.    

           Бурное развитие цифровой электронной техники позволяет во все большем числе случаев формирования аналоговых сигналов использовать цифровые методы.  Так как цифровые генераторы аналоговых сигналов обладают рядом достоинств:

- универсальность,  поскольку они позволяют генерировать  аналоговый

сигнал  с произвольной, заданной пользователем, формой;

- отсутствие  ограничения по минимальной частоте;

- высокая  стабильность параметров выходного  сигнала

и другие.    

         Цифровые генераторы обладают универсальностью, точностью и удобством настройки . Поэтому они получают всё большее распространение как узлы электронной аппаратуры,  тат и как самостоятельные устройства применяемые при измерениях и налаживании систем, работающих со сложными сигналами.

Аналоговые  генераторы используются в тех случаях, когда нет высоких  требований к параметрам генератора, или важна простота и минимальная стоимость узла. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Генераторы  гармонических колебаний.   

 Генератором  гармонических колебаний называют  устройство, создающее переменное  синусоидальное напряжение при  отсутствии входных сигналов. В  схемах генераторов всегда используется положительная обратная связь. 

Различают аналоговые и цифровые генераторы.   

 Аналоговые  генераторы преобразуют энергию  источника постоянного напряжения  в энергию переменного выходного  сигнала. ,Генератор гармонических  колебаний должен содержать по крайней мере одну частотно-избирательную цепь, которая бы обеспечивала выполнение условия самовозбуждения на заданной частоте. В зависимости от вида частотно-избирательной цепи различает LC-генераторы, RC-генераторы, кварцевые генераторы и другие.   

 Для  аналоговых генераторов гармонических  колебаний важной проблемой является  автоматическая стабилизация амплитуды  выходного напряжения. Если в  схеме не предусмотрены устройства  автоматической стабилизации, устойчивая  работа генератора окажется невозможной. В этом случае после возникновения колебаний амплитуда выходного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и это приведет к тому, что активный элемент генератора (например, операционный усилитель) войдет в режим насыщения. В результате напряжение на выходе будет отличаться от гармонического. Схемы автоматической стабилизации амплитуды достаточно сложны. На рис. 1 показан RC-генератор на ОУ с упрощенным мостом Вина и простейшей схемой стабилизации амплитуды.

Рис. 1   

 На  рис. 2 изображена упрощенная схема  кварцевого генератора на основе  операционного усилителя при  использовании последовательного  резонанса.

Рис. 2   

 На  частоте последовательного резонанса  в схеме имеет место сильная  положительная обратная связь,  что и поддерживает автоколебания.  Кварцевые резонаторы характеризуются  высокой стабильностью и добротностью. Использование кварцевых резонаторов позволяет значительно снизить относительное изменение частоты генераторов. Однако, у кварцевых генераторов затруднено оперативное изменение частоты выходного сигнала.    

 В  отличие от аналоговых, цифровые  генераторы обладают высокой стабильностью, надежностью, возможностью изменения частоты генерируемого сигнала в широких пределах и универсальностью.   

 На  рис. 3 изображена упрощенная схема  кварцевого генератора на основе  логических инвертирующих элементах  при использовании последовательного резонанса. Схема разработана для работы на основной частоте кристалла.

Рис. 3   

 На  рис. 4 изображена упрощенная схема  кварцевого генератора на основе логических инвертирующих элементах при использовании параллельного резонанса. Схема разработана для работы также на основной частоте кристалла.

Рис. 4

На рис. 5 изображена упрощенная схема R-C  генератора на основе логических инвертирующих элементах. Эта схема используется в неответственных частях устройства, т. к. она обладает простотой реализации, дешевизной деталей и не требует настройки, Но её основным недостатком является временная нестабильность и частота генератора будет изменяться от модуля к модулю из-за разброса параметров компонентов

Рис. 5

Но для  получения генератора с высокими требованиями к его параметрам приходится использовать более сложные схемы. Именно такой генератор мы и будем проектировать.

Принцип действия проектируемого цифрового  генератора основан на том, что в  ПЗУ в цифровом виде записывают сведения о необходимой форме сигнала, которые последовательно считываются и передаются на ЦАП, формирующий аналоговый сигнал.

 
 
 

Создание  структурной схемы  генератора           

 Составим  структурную схему для цифрового  генератора  синусоидальных колебаний на основе памяти. (Рис. 6)

Рис. 6

ГТИ  - обеспечивает формирование управляющих импульсов заданний частоты, обеспечивающей требуемую частоту синуса на выходе;

ФА - формирует текущий адрес для выбора данных из памяти;

ROM - выдаёт  текущее значение уровня сигнала  на выходе;

ЦАП –  преобразует  цифровое значение уровня сигнала в аналоговый уровень сигнала;

БУ –  обеспечивает необходимую амплитуду  сигнала на выходе.

Схематически вид сигнала  в каждом блоке приведён на рис.7.

Рис. 7

 
 
 
 
 
 

Описание  работы схемы   

         Тактовый генератор формирует опорные импульсы с частотой, прямо пропорциональной выходной частоте синуса. Синхронизирующие импульсы с частотой  поступает на счетчик, на выходе которого формируется n-разрядный адрес микросхемы памяти - число Х. Значение адреса изменяется в  интервале от 0 до (2 ⁿ-1). По числу Х на адресном входе ПЗУ выбирает m-разрядное число У, являющееся значением выборки сигнала – амплитуды синуса. Цифро-аналоговый преобразователь преобразует код числа в аналоговый сигнал.  

           В общем виде зависимость выходного напряжения U_ЦАП биполярного ЦАП от входного кода числа Х при опорном напряжении U_оп выражается формулой

.

Максимальная  частота генерируемых сигналов определяется по формуле

. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчеты параметров схемы, обеспечивающих заданные условия.

Общая погрешность аппроксимации синусоиды складывается из погрешности квантования сигнала по уровню, погрешности дискретизации сигнала по времени и погрешности линейности ЦАП.

Наиболее  критичной в нашей схеме является погрешность погрешности линейности ЦАП, т. к. он является основой схемы. Выберем в качестве ЦАП микросхему К1108ПА2 – 8 разрядный функционально законченный цифро-аналоговый преобразователь двоичного кода в напряжение, выполненный по биполярной технологии и имеющий следующие характеристики:

U_п = ± 5 В; 

  _л=±0.28 %;

U_вых=2.5 В;

t_уст =1.5 мкс.

Микросхему  ПЗУ надо выбирать по объёму памяти и времени выборки адреса.

В качестве ПЗУ остановимся на микросхеме КР556РТ17 емкостью 512 x 8 бит, обладающая следующими параметрами:

t_в.а. = 50 нс.;      U_п = + 5 В. 

 Рассчитаем  теперь общую погрешность аппроксимации  синусоиды:

,

,

,

,

.

,