Цифровой генератор синусоидальных колебаний

Полученная  общая погрешность аппроксимации  не превышает заданного допустимого  значения 1 %.           

6 –  разрядный счётчик построим на  основе микросхемы К555ИЕ19, содержащей  два четырёхразрядных счётчика.   

         В качестве задающего (тактового) генератора в проектируемом устройстве будем использовать R-C  генератор на основе логических инвертирующих элементах, обеспечивающий заданный коэффициент нестабильности частоты.   

 При  заданном диапазоне частот сигнала  на выходе устройства (100 Гц –  1 кГц) и выбранном числе шагов  дискретизации (64) максимальная частота  тактовых импульсов определяется как                ,

а минимальная  – как            .

Предельная  частота тактового генератора зависит от быстродействия ЦАП:

, что удовлетворяет используемому  режиму генератора.

Рассчитаем  теперь значения элементов  генератора тактовых импульсов для обеспечения данного диапазона частот.

F = 1/(2 * π * 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 образом, в качестве конденсатора С возьмём переменный конденсатор на 68 нФ.

А для  более точной подстройки частоты  последовательно соединим постоянный резистор сопротивлением 2 кОм и  переменный – сопротивлением 1 кОм.

Для обеспечения  высокой стабильности задающего  генератора выберем высококачественные керамические конденсаторы и термостабильные резисторы.           

  Исходя из того, что от проектируемого генератора не требуется малое энергопотребление, то в качестве цифровой выберем ТТЛ базу как более распространённую, надёжную и дешевую.           

 Так  как рабочие частоты не превышают  20 Мгц, то выберем К555 – тую  серию

как более  распространённую, надёжную и дешевую.

имеющие следующие параметры:

-         напряжение питания +5В,

-         диапазон рабочих температур от –10 до +70⁰С,

-         уровень логического нуля не более 0.4В,

-         выходной уровень логической единицы не менее 2.6В,

-         средняя потребляемая одним логическим элементом мощность 2 мВт,

-         средняя задержка распространения сигнала 20 нс.    

 Максимальный потребляемый устройством ток не превышает 0.35 А.   

         Заданная амплитуда сигнала на выходе устройства будет обеспечиваться усилителем на ОУ с коэффициентом усиления

. 

При этом Rос=3.6 кОм, а R=1 кОм. 

В качестве ОУ подойдут микросхемы К140УД26, имеющую  следующие параметры:

- напряжение  питания ±15 В;

- ток  потребления 4,7 мА;

- коэффициент  усиления 10⁶;

- напряжение  смещения 0,025 мВ;

- входной  ток 35 нА.

В соответствии с выбранными ЦАП, ПЗУ и параметрами  самого устройства в качестве используемых в нем цифровых микросхем будут  применены микросхемы серии 555, имеющие  следующие параметры:

-         напряжение питания +5В,

-         диапазон рабочих температур от –10 до +70⁰С,

-         уровень логического нуля не более 0.4В,

-         выходной уровень логической единицы не менее 2.6В,

-         средняя потребляемая одним логическим элементом мощность 2 мВт,

-         средняя задержка распространения сигнала 20 нс.    

   -    Максимальный потребляемый устройством ток не превышает 0.35 А.           
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчёт  значений данных хранимых в  ПЗУ.   

 Содержимое  ячеек ПЗУ рассчитывается по  формуле

,

где n=6, m=8, А=0…2ⁿ-1.   

 Полученные  в результате расчета 64 8-разрядных  числа от 0 до 255 и составляют содержимое  микросхем ПЗУ (табл.1).

Таблица 1.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Моделирование узлов схемы.

Моделирование будем производить в САПР OrCAD 9.1 – наиболее современной на момент написания проекта. В качестве моделей  Российских элементов будем использовать их зарубежные аналоги, имеющие соответствующие  характеристики.

На рис. 7 приведён график переходных процессов на конденсаторе задающего генератора, а на рис.8 напряжение на выходе генератора при частоте генератора в 64 кГц. Длина периода  15,7 мкс.

  
 
 
 
 
 
 

Рис. 7

 
 
 
 
 
 
 

Рис. 8

Рис. 9

На рис. 9  приведён график переходных процессов на конденсаторе задающего генератора, на рис. 10 напряжение на выходе генератора при частоте генератора в 6.4 кГц. Длина периода 157 мкс.  
 
 
 

Рис. 10

На рис. 11 приведён график сигналов выбора адреса, появляющихся на выходах счётчика при  частоте формируемого синуса 1кГц.  

 
 
 
 

Рис. 11 

На рис. 12 приведён график сигналов значения амплитуды  синуса , появля ющихся на выводах микросхемы памяти.  
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 12

На рис. 13 приведён график сформированной синусоиды  на выходе ЦАП.

 
 
 
 
 
 

Рис. 13 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

Рис. 14

На рис. 14 приведён график итоговой  синусоиды на выходе ОУ, задающее необходимое значение амплитуды сигнала – 9 В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение.    

         В соответствии с заданием был разработан цифровой генератор синусоидального напряжения, полностью удовлетворяющий требуемым параметрам и обеспечивающий стабильный выходной сигнал амплитудой 9 В в диапазоне частот (100…1000) Гц +10 Гц. При этом погрешность воспроизведения синусоиды составляет менее 1%.

Все теоретические  расчёты были подтверждены путём моделирования схемы в САПР OrCAD 9.1

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованной литературы

1. «Электроника» В. И. Лачин, Н. С. Савёлов. Феникс 2000г

2.      Жмурин Д.Н. Математические основы теории систем: уч.пос.- Новочеркасск, 1998

3.      Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И., Телец В.А. Изделия электронной техники: цифровые микросхемы, микросхемы памяти, микросхемы ЦАП и АЦП.- М.: Радио и связь, 1994

4.      Справочник. «Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги». Под редакциеё Нефёдова А.В. М. Радиософт. 1994г.-

5.      Справочник. «Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы общего назначения». Воронеж. 1994г.