Зачем нужны генераторы сигналов произвольной формы
При тестировании различных систем их разработчики должны исследовать поведение системы при подаче на ее вход как стандартных сигналов, так и сигналов, имеющих различные отклонения от нормы. В реальных условиях работы на систему могут действовать помехи, искажающие форму сигнала, и разработчику необходимо знать, как поведет себя устройство при тех или иных искажениях. Для этого ему необходимо либо моделировать помеху при прохождении стандартного сигнала, либо подать на вход искаженный сигнал, полученный при помощи генератора сигналов произвольной формы (ГСПФ). Первый путь гораздо длительнее и дороже, поэтому чаще всего используется второй путь.
Генераторы сигналов произвольной формы используются также в случаях, когда для отладки и испытания устройств нужно подавать на их вход сигналы нестандартной формы, получение которых без использования таких генераторов крайне затруднено.
Концепция построения ГСПФ
В основе построения ГСПФ лежит синтез аналогового сигнала по его образу, записанному в ОЗУ генератора. Типовая структура ГСПФ представлена на рис. 1.
Генератор фазового угла (ГФУ) генерирует периодическую линейно нарастающую последовательность адресов ячеек ОЗУ (фазу сигнала). Крутизна нарастания последовательности зависит от частоты, задаваемой блоком управления (БУ).
В соответствии с изменением адресов на входе ОЗУ, меняются и данные на его выходе. Последовательность выдаваемых данных образует цифровой образ генерируемого сигнала. Он преобразуется в аналоговую форму при помощи цифро-аналогового преобразователя, затем сигнал ослабляется в соответствии с заданной амплитудой, и в него вводится нужное постоянное смещение. После усиления получается выходной сигнал нужной формы, частоты, амплитуды, с требуемым постоянным смещением.
Технические характеристики генератора
Частота генерируемого сигнала 0,0001…22000 Гц
Амплитуда выходного сигнала 0…10 В
Постоянное смещение выходного сигнала -5…+5 В
Выходной ток до 100 мА
Количество отсчетов на период 8192
Температурная относительная нестабильность частоты менее 10-5 1/
°СДолговременная относительная нестабильность частоты менее 10-5 1/1000 ч
Точность установки частоты 7*10-6 Гц
Напряжение питания 10…12 В
Потребляемая без нагрузки мощность 0,9 Вт
Габаритные размеры платы генератора 125x100x15 мм
Структура комплекса ГСПФ
Программно-аппаратный комплекс генерации сигналов произвольной формы состоит из собственно генератора, подключаемого к ЭВМ через последовательный порт RS-232C, и программы управления генератором, работающей под Windows 95/98, Windows NT 4.0.
Структура аппаратной части генератора
Аппаратная часть выполнена в соответствии со структурой, приведенной на рис. 1. Единственное отличие состоит в том, что блок управления разработанного генератора подключен через блок сопряжения к ЭВМ. Из ЭВМ при помощи программы управления задаются форма и другие параметры сигнала.
Блок управления генератором построен на базе микроконтроллера AT89C52. Он принимает от ЭВМ команды изменения параметров сигнала и выдает соответствующие команды другим блокам генератора. Кроме того, генератор имеет SPI-подобный интерфейс для подключения управляющего устройства, отличного от ЭВМ. Наличие такого интерфейса позволит использовать генератор в составе мобильного компактного комплекса для снятия частотных характеристик, разработка которого ведется в настоящий момент.Блок управления принимает и устанавливает частоту, смещение и амплитуду сигнала. Данные о форме выходного напряжения также проходят через блок управления. Стандартные формы (пила, меандр, белый шум и синусоида) рассчитываются непосредственно микроконтроллером.
Усилитель сигнала построен на малошумящем операционном усилителе MAX427 и позволяет получить выходной ток до 100 мА. ЦАП постоянного смещения AD7943 – умножающий 12-разрядный ЦАП с последовательным вводом данных, позволяющий получить смещение сигнала в диапазоне от –5 В до +5 В с дискретностью 2,44 мВ. ЦАП амплитуды AD7943 – умножающий 12-разрядный ЦАП с последовательным вводом данных. Позволяет задавать амплитуду выходного сигнала в диапазоне от 0 до 10 В с дискретностью 2,44 мВ. ЦАП MX565A – быстродействующий 12-разрядный ЦАП с параллельным вводом данных. Время установления с точностью до половины младшего разряда не более 250 нс. ОЗУ UM6264 содержит цифровой образ формы. Форма хранится в виде 8192 12-разрядных отсчетов. Это позволяет получить выходной сигнал достаточно высокого качества. Генератор фазового угла построен на основе ПЛИС EPF8282 фирмы ALTERA. Структура, записываемая в ПЛИС, приведена на рис. 2.
Схема может работать в трех режимах:
Нормальной генерации;
Ждущем;
Загрузки данных в блок ОЗУ.
В режиме нормальной генерации (на входе
Mode единица) регистр приращения фазы (РПФ) загружается из БУ значением, соответствующим частоте.При нормальной генерации содержимое РПФ суммируется с младшими разрядами регистра фазы (РФ), и сумма записывается в РФ по приходу
SI. Тринадцать старших разрядов РФ подаются на адресные входы блока ОЗУ. Таким образом, частота переполнения РФ соответствует частоте генерируемого сигнала. При ждущем режиме (на входе Mode ноль) ГФУ ожидает прихода стробирующего сигнала на вход Strob. По приходу этого сигнала генерируется сигнал с начальной фазы, записанной в регистре начальной фазы (РНФ), и до конца периода. После окончания периода ГФУ снова переходит в состояние ожидания строба.При загрузке данных в ОЗУ они сначала последовательно записываются в регистр данных (РД), а затем, при подаче сигнала
InRAMOE, выставляются на входы данных блока ОЗУ. Это сделано для экономии числа используемых выводов микроконтроллера и упрощения топологии печатной платы.Как видно из структуры ПЛИС, реализация такого операционного автомата на микросхемах малой степени интеграции потребовала бы большого количества разнотипных элементов (более 30 корпусов), что привело бы к увеличению габаритов и уменьшению надежности системы. Поэтому удобно применять ПЛИС.
Опытный образец генератора
Опытный образец был собран на двусторонней печатной плате размером 175
x 110 мм. Потребление опытного образца без нагрузки составляет 0.9 Вт.Внешний вид опытного образца генератора приведен на рис. 3.
Рис. 3. Вид опытного образца платы генератора
Программа управления генератором
Программа управления генератором создана в среде Delphi 4.5. Программа предназначена для работы под Windows 95/98 или Windows NT 4.0.
Вид главного окна программы, которое позволяет использовать все возможности аппаратной части генератора, представлен на рис. 4.
Рис. 4. Главное окно программы управления генератором
Программа позволяет задавать параметры сигнала: частоту, амплитуду, постоянное смещение. Кроме стандартных форм: меандра, пилы, синусоиды и белого шума, можно загрузить в генератор и произвольную форму. Для ввода произвольной формы сигнала можно нарисовать ее при помощи мыши или задать форму при помощи формулы. Созданную форму можно сохранить и восстановить впоследствии.
Существует режимы последовательного изменения параметров сигнала: амплитуды, частоты и смещения. При этом изменение может быть плавным, при этом задаются начальное и конечное значения параметра, шаг приращения, период приращения. Возможно также изменение одного из параметров сигнала по форме, записанной в файле. Это позволяет генерировать частотно- и амплитудно-модулированные сигналы. При этом форма модулируемого и модулирующего сигнала могут быть абсолютно произвольными.
Автор проекта: Волович Александр (al_volovich@mail.ru)
Страница разработана для разрешения 800х600
Web-дизайн Михаила Гущина (tim_design@chel.surnet.ru)