Реферат: Цифровой генератор синусоидальных колебаний

Министерство образования РФ

Южно-Российский Государственный Технический Университет(НПИ)

ИНСТИТУТ ИИТУ _

КАФЕДРА А и Т _

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ __ Промышленная электроника__ _

Курсовой проект

по дисциплине «Электронные промышленные устройства»

на тему «Цифровой генератор синусоидальных колебаний»

Выполнил студент IV курса, группы 1б Евченко С.Е

Принял КононенкоТ. П.

НОВОЧЕРКАССК 2001 г.

Задание на курсовой проект
Содержание

TOC o «1-3» h z u Аннотация.PAGEREF _Toc534235491 h 5

Введение.PAGEREF _Toc534235492 h 6

Генераторыгармонических колебаний.PAGEREF_Toc534235493 h 7

Созданиеструктурной схемы генератора. PAGEREF _Toc534235494 h 10

Описаниеработы схемы… PAGEREF _Toc534235495 h 11

Расчетыпараметров схемы, обеспечивающих заданные условия.PAGEREF _Toc534235496 h 12

Расчётзначений данных хранимых в ПЗУ.PAGEREF _Toc534235497 h 15

Моделированиеузлов схемы.PAGEREF _Toc534235498 h 16

Заключение.PAGEREF _Toc534235504 h 20

Списокиспользованной литературы… PAGEREF_Toc534235505 h 21

Переченьэлементов. PAGEREF _Toc534235506 h 22

Спецификация. PAGEREF _Toc534235507 h 23

Аннотация.

Задачей данного курсовогопроекта будет разработать цифровой генератор синусоидального сигнала, имеющегостабильную амплитуду и перестраиваемую частоту в определённом диапазоне и формусигнала, близкую к идеальной.

Пояснительная записка к курсовомупроекту состоит из теоретической и собственно проектной части. Теоретическаячасть включает в себя обзор способов формирования периодических сигналов,приведены конкретные схемы, описаны достоинстваи недостатки каждого метод.

Проектная часть содержитпринципиальную схему цифрового генератора с ее обоснованием и расчетом, а такжерезультаты математического моделирования узлов спроектированного устройства.

Введение.

Бурное развитие цифровой электроннойтехники позволяет во все большем числе случаев формирования аналоговых сигналовиспользовать цифровые методы. Так как цифровыегенераторы 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.

Цифровыегенераторы обладают универсальностью, точностью и удобством настройки. Поэтомуони получают всё большее распространение как узлы электронной аппаратуры, тат и как самостоятельные устройстваприменяемые при измерениях и налаживании систем, работающих со сложными сигналами.

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

Генераторы гармонических колебаний.

Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающеепеременное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. В схемахгенераторов всегда используется положительная обратная связь.

Различают аналоговые и цифровые генераторы.

Аналоговые генераторы преобразуют энергию источника постоянногонапряжения в энергию переменного выходного сигнала., Генератор гармоническихколебаний 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 идругие.

Для аналоговых генераторов гармонических колебаний важной проблемойявляется автоматическая стабилизация амплитуды выходного напряжения. Если всхеме не предусмотрены устройства автоматической стабилизации, устойчиваяработа генератора окажется невозможной. В этом случае после возникновенияколебаний амплитуда выходного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и этоприведет к тому, что активный элемент генератора (например, операционныйусилитель) войдет в режим насыщения. В результате напряжение на выходе будетотличаться от гармонического. Схемы автоматической стабилизации амплитудыдостаточно сложны. На рис. 1 показан RC-генератор на ОУ с упрощенным мостом Вина и простейшей схемойстабилизации амплитуды.

Рис.1

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

Рис.2

На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильнаяположительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания. Кварцевыерезонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью. Использованиекварцевых резонаторов позволяет значительно снизить относительное изменениечастоты генераторов. Однако, у кварцевых генераторов затруднено оперативноеизменение частоты выходного сигнала.

В отличие от аналоговых, цифровые генераторы обладают высокойстабильностью, надежностью, возможностью изменения частоты генерируемогосигнала в широких пределах и универсальностью.

На рис. 3 изображена упрощенная схема кварцевого генератора на основелогических инвертирующих элементах при использовании последовательногорезонанса. Схема разработана для работы на основной частоте кристалла.

SHAPE * MERGEFORMAT

Рис.3

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

SHAPE * MERGEFORMAT

На рис. 5 изображена упрощенная схема R-C генератора на основе логических инвертирующихэлементах. 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 частотагенератора будет изменяться от модуля к модулю из-за разброса параметров компонентов.

SHAPE * MERGEFORMAT

Рис.5

Но для получениягенератора с высокими требованиями к его параметрам приходится использоватьболее сложные схемы. Именно такой генератор мы и будем проектировать.

Принцип действияпроектируемого цифрового генератора основан на том, что в ПЗУ в цифровом видезаписывают сведения о необходимой форме сигнала, которые последовательносчитываются и передаются на ЦАП, формирующий аналоговый сигнал.

Создание структурнойсхемы генератора

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

SHAPE * MERGEFORMAT

ГТИ

Счётчик

ПЗУ

ЦАП

БУ

Рис. 6

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

ФА — формирует текущий адрес длявыбора данных из памяти;

ROM — выдаёт текущее значение уровня сигнала на выходе;

ЦАП – преобразует цифровое значение уровня сигнала в аналоговыйуровень сигнала;

БУ – обеспечивает необходимуюамплитуду сигнала на выходе.

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

SHAPE * MERGEFORMAT <img src="/cache/referats/16926/image011.gif" v:shapes="_x0000_s1303 _x0000_s1304 _x0000_s1305 _x0000_s1306 _x0000_s1307 _x0000_s1308 _x0000_s1309 _x0000_s1310 _x0000_s1311 _x0000_s1312 _x0000_s1313 _x0000_s1314 _x0000_s1315 _x0000_s1316 _x0000_s1389 _x0000_s1317 _x0000_s1318 _x0000_s1319 _x0000_s1320 _x0000_s1321 _x0000_s1322 _x0000_s1323 _x0000_s1324 _x0000_s1325 _x0000_s1326 _x0000_s1327 _x0000_s1328 _x0000_s1329 _x0000_s1330 _x0000_s1331 _x0000_s1332 _x0000_s1333 _x0000_s1334 _x0000_s1335 _x0000_s1336 _x0000_s1337 _x0000_s1338 _x0000_s1339 _x0000_s1340 _x0000_s1341 _x0000_s1342 _x0000_s1343 _x0000_s1344 _x0000_s1345">

Рис.7

Описаниеработы схемы

Тактовый генераторформирует опорные импульсы с частотой, прямо пропорциональной выходной частотесинуса. Синхронизирующие импульсы с частотой <img src="/cache/referats/16926/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> поступает на счетчик,на выходе которого формируется n-разрядныйадрес микросхемы памяти — число Х. Значение адреса изменяется в интервале от 0 до (2 n-1). По числу Х на адресном входеПЗУ выбирает m-разрядноечисло У, являющееся значением выборки сигнала – амплитуды синуса.Цифро-аналоговый преобразователь преобразует код числа в аналоговый сигнал.

В общем виде зависимость выходного напряжения UЦАП биполярногоЦАП от входного кода числа Х при опорном напряжении Uоп выражается формулой

Максимальная частота генерируемыхсигналов определяется по формуле

Расчетыпараметров схемы, обеспечивающих заданные условия.

Общаяпогрешность аппроксимации синусоиды складывается из погрешности квантованиясигнала по уровню, погрешности дискретизации сигнала по времени и погрешностилинейности ЦАП.

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

Uп = ± 5 В;

л

=±0.28 %;

Uвых=2.5 В;

tуст =1.5 мкс.

Микросхему ПЗУнадо выбирать по объёму памяти и времени выборки адреса.

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

tв.а. = 50 нс.; Uп =+ 5 В.

Рассчитаем теперь общую погрешностьаппроксимации синусоиды:

Полученная общая погрешностьаппроксимации не превышает заданного допустимого значения 1 %.

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

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

При заданном диапазоне частот сигнала на выходе устройства (100 Гц – 1кГц) и выбранном числе шагов дискретизации (64) максимальная частота тактовыхимпульсов определяется как <img src="/cache/referats/16926/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1042">

а минимальная – как <img src="/cache/referats/16926/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1043">

Предельнаячастота тактового генератора зависит от быстродействия ЦАП:

Рассчитаемтеперь значения элементов генераторатактовых 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, вкачестве конденсатора С возьмём переменный конденсатор на 68 нФ.

А для более точной подстройкичастоты последовательно соединим постоянный резистор сопротивлением 2 кОм ипеременный – сопротивлением 1 кОм.

Для обеспечениявысокой стабильности задающего генератора выберем высококачественныекерамические конденсаторы и термостабильные резисторы.

Исходя из того, что от проектируемогогенератора не требуется малое энергопотребление, то в качестве цифровой выберемТТЛ базу как более распространённую, надёжную и дешевую.

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

как более распространённую,надёжную и дешевую.

имеющие следующие параметры:

-

0С,

-

Максимальный потребляемый устройством ток не превышает 0.35 А.

Заданная амплитуда сигналана выходе устройства будет обеспечиваться усилителем на ОУ с коэффициентомусиления

При этом Rос=3.6 кОм, а R=1кОм.

В качестве ОУ подойдут микросхемы К140УД26,имеющую следующие параметры:

— напряжение питания±15 В;

— токпотребления 4,7 мА;

— коэффициентусиления 106;

— напряжениесмещения 0,025 мВ;

— входной ток 35нА.

В соответствии свыбранными ЦАП, ПЗУ и параметрами самого устройства в качестве используемых внем цифровых микросхем будут применены микросхемы серии 555, имеющие следующиепараметры:

-

0С,

-

- Максимальный потребляемый устройством токне 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 исоставляют содержимое микросхем ПЗУ (табл.1).

Содержимое ПЗУ

Адрес

Содержимое ячеек

Таблица 1.

Моделирование узлов схемы.

Моделирование будем производить вСАПР OrCAD 9.1 –наиболее современной на момент написания проекта. В качестве моделей Российскихэлементов будем использовать их зарубежные аналоги, имеющие соответствующиехарактеристики.

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

Рис.7

Рис.8

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

Рис.9

Рис.10

На рис. 11 приведён график сигналоввыбора адреса, появляющихся на выходах счётчика при частоте формируемого синуса1кГц.

Рис.11

На рис. 12 приведён графиксигналов значения амплитуды синуса, появляющихся на выводах микросхемы памяти.

Рис.12

На рис. 13 приведён графиксформированной синусоиды на выходе ЦАП.<img src="/cache/referats/16926/image055.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1299">

Рис.13

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

Рис.14

Заключение.

В соответствии с заданиембыл разработан цифровой генератор синусоидального напряжения, полностьюудовлетворяющий требуемым параметрам и обеспечивающий стабильный выходнойсигнал амплитудой 9 В в диапазоне частот (100…1000) Гц +10 Гц. При этомпогрешность воспроизведения синусоиды составляет менее 1%.

Всетеоретические расчёты были подтверждены путём моделирования схемы в САПР OrCAD 9.1

Списокиспользованной литературы«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. Изделияэлектронной техники: цифровые микросхемы, микросхемы памяти, микросхемы ЦАП иАЦП.- М.: Радио и связь, 1994

4.

5.

Перечень элементов
Спецификация

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Математическое моделирование биполярных транзисторов типа p-n-p

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Приёмник переносной радиовещательный ДВСВ диапазон

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Cкремблирование и дескремблирование линейного сигнала

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Розрахунки й оптимізація характеристик систем електрозв’язку. (Расчёты и оптимизация характеристик систем электросвязи)

29 Августа 2013