Генератор сигналов различной формы |

З А Д А Н И Е

на курсовую работу

1.Тема работы: Генератор сигналов произвольной формы

2.Срок сдачи студентом законченной работы:

3. Исходные данные к проекту (работе): Реализация – модуль на шине PCI, способ доступа – программно, количество отсчётов – 64, скважность – 2-10.

4.Перечень графического материала: Структурная схема, функциональная схема, схема электрическая принципиальная, спецификация, перечень элементов.

РЕФЕРАТ

Курсовая работа стр., 2 рис., табл., 5 схем, 10 источников.

Цель курсовой работы — спроектировать устройство, позволяющее формировать аналоговые сигналы с заданными параметрами: частотой повторения, амплитудой, скважностью, функционирующее на базе IBM PC/AT и взаимодействующее с ней через интерфейс PCI.

В результате проведенной работы были предложены несколько методов реализации проектируемого устройства. Представлен анализ достоинств и недостатков каждого из представленных методов, а также приведено обоснование выбранного метода.

Разработана и выполнена структурная схема устройства генератора сигналов произвольной формы.

Описан принцип действия и разработана функциональная схема проектируемого устройства.

Разработана и выполнена принципиальная схема данного устройства.

Приведено описание функционирования устройства, а также временные диаграммы на основные операции.

Произведён выбор элементной базы для проектируемого устройства.

Приведены выводы об эффективности устройства.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Постановка задачи

2. Выбор и обоснования метода реализации

3. Принцип действия

4. Выбор элементной базы

5. Описание функционирования

6. Выбор конструкции

Заключение

Перечень условных обозначений, символов и определений

Список использованных источников

Приложение 1. Временная диаграмма

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании электронной аппаратуры существует необходимость в использовании генераторов сигналов различной формы. Выбор формы сигнала играет существенную роль. От него может зависеть разрешающая способность, точность помехозащищённость аппаратуры. Кроме того, уделяют особое внимание форме сигнала при рассмотрении оптимальных методов обнаружения сигналов на фоне шума. Разные по форме сигналы используют как в ВЧ тракте приемных устройств, так и в модуляторах передатчиков. В приёмных устройствах специальные сигналы часто играют роль образцовых. В предающих устройствах сигналы используются для достижения оптимальных условий работы системы с целью получения максимальной информативности

Из всех форм наиболее часто применяемыми являются пилообразные и треугольные. От точности формы этих сигналов часто зависит информационная надёжность различных устройств обработки аналоговых и цифровых сигналов. Существует большое количество генераторов, которые ограничены в выборе форм, без возможности расширения. Большинство из них являются негибкими, неудобными устройствами. Возникает вопрос о создании более гибкого и интеллектуального устройства, которое не будет ограничено в выборе формы сигналов на выходе. Таким устройством может служить цифровой программно-управляемый генератор сигналов произвольной формы, позволяющий формировать аналоговые сигналы с заданными параметрами, такими как форма, период, амплитуда, скважность. Такое устройство может использоваться в контрольно-измерительной системе на базе ЭВМ или в составе промышленных установок в составе современных систем управления и сбора данных контрольно-измерительного оборудования, в которых требуется формирование различных сигналов, например в системах виброиспытаний.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Требуется сконструировать генератор, позволяющий создавать сигнал с программно-задаваемой формой, частотой, амплитудой, скважностью, по принципу создания формы сигнала из 64 дискретных значений напряжения.

В качестве интерфейса, связывающего это устройство с ЭВМ необходимо использовать PCI интерфейс.

Подход к реализации поставленной задачи на курсовую работу не оговаривается, поэтому метод реализации выбираем самостоятельно на основе исходных данных и условий.

Для решения данной задачи необходимо уяснить принцип построения аналогового сигнала на основе 64 дискретных составляющих уровней сигнала и их способ кодирования.

На основе полученной информации сделать выводы о методах построения схемы, разработать по этому методу функционирующую схему УС.

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ

Будем разрабатывать генератор со следующими характеристиками: частота выходного сигнала – 1 … 16000 Гц, амплитуда выходного сигнала — 0 … 5 В, скважность — 2 … 10.

При выборе метода построения генератора следует руководствоваться следующими принципами:

· схема должна обеспечивать требуемую точность воспроизведения формы выходного сигнала;

· элементная база схемы должна быть максимально экономичной;

· генератор должен быть прост в реализации;

· схема должна поддерживать скорость обмена, соответствующую характеристике интерфейса;

Такой генератор – УС, имеющее в своём составе буферное ОЗУ или ПЗУ с периодическим режимом обмена с ВУ.

Перед началом работы в буферное ОЗУ записываются коды выборок генерируемого сигнала, задавая его форму, в случае применения ПЗУ эта часть опускается. Задаётся частота повторения сигнала, амплитуда и скважность. Затем даётся старт генерации, во время которой выходные коды буферного ОЗУ поступают на ЦАП, преобразующий их в уровни выходного аналогового сигнала.

Возможны несколько способов решения поставленной задачи.

В первом способе для перебора адресов ЗУ используется накапливающий сумматор, состоящий из двоичного сумматора и регистра, охваченных обратной связью. При этом с каждым следующим импульсом тактового генератора к выходу кода регистра прибавляется входной управляющий код, и полученная сумма снова записывается в регистр. В результате в каждом такте приращения адреса ЗУ будет определяться входным управляющим кодом накапливающего сумматора, изменяя который, мы можем изменять скорость прохождения всех адресов ЗУ и, следовательно, частоту выходного аналогового сигнала.

Недостаток этого метода – изменение количества выборок на период выходного сигнала обратно пропорционально его частоте, т.е. форма сигналов воспроизводится с разной точностью на разных частотах. В нашем случае этот недостаток является существенным, следовательно, способ неприемлем.

Согласно второму способу, адреса ЗУ перебираются обычным двоичным счётчиком, а для изменения частоты выходного сигнала меняется частота, с которой эти адреса перебираются. В этом случае всегда опрашиваются все адреса ЗУ, т.е. количество выборок на период выходного сигнала не изменяется при изменении частоты, а значит, не изменяется точность воспроизведения формы сигнала.

Недостатком такого метода является то, что он хорошо работает в области низких частот выходного сигнала.

Будем разрабатывать генератор на основе именно этого метода, т.к. недостаток является несущественным в нашем случае и соблюдаются требования предъявленные к схеме.

3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Передача данных между УС и шиной осуществляется посредством контроллера PcCard.

Схема рассматриваемого УС включает в себя регистры задаваемых параметров: регистр частоты “РЧ”, регистр амплитуды “РА”, регистр управляющего слова “РУ”, регистр выборки “РВ”. В схеме имеется счётчик адресов ЗУ, делитель частоты со схемой формирования скважности “СФС”, ЦАП1, преобразующий коды выборок в напряжения выходного сигнала, ЦАП2, задающий амплитуду выходного сигнала

В регистр частоты, по сигналу записи кода частоты “ЗКЧ”, заносится код частоты выходного сигнала. По сигналу записи управляющего слова “ЗУС” в регистр амплитуды заносится код амплитуды, в регистр управляющего слова “РУ” заносится код скважности (биты 8-11), код сброса (бит 12) и происходит сброс счётчика адреса “СА”.

Перед началом работы схема переводится в режим останова, “СА” сбрасывается. Затем производится запись кодов выборок в ОЗУ, при этом по сигналу запись “ЗАП” производится наращивание адреса ОЗУ. После окончания заполнения ОЗУ, задаётся частота повторения сигнала, скважность сигнала и амплитуда сигнала, и схема переводится в режим генерации, в котором на тактовый вход “ДЧ” поступает сигнал с тактового генератора. Регистр выборок “РВ” служит для обеспечения одновременности изменения всех разрядов входного кода ЦАП1. ЦАП2 задаёт опорное напряжение, основываясь на значении “РА”.

Оценивая требования к интерфейсной части “ИЧ” УС, можно сказать, что прямой доступ к УС не нужен, прерывание — тоже, т.к. никаких срочных действий предпринимать не нужно.

4. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

При проектировании УС необходимо учитывать электрические характеристики сигналов. Стандарт магистрали определяет требования к входным и выходным токам приёмников и передатчиков плат расширения. Выходные каскады передатчиков магистральных сигналов УС должны выдавать ток низкого уровня не менее 24mA, а высокого уровня не меньше 3mA. Входные каскады приёмников магистральных должны потреблять ток низкого уровня не больше 0,8mA, а входной ток высокого уровня – не больше 0,04mA.

Для электрического согласования УС с шиной применяется буферирование магистральных сигналов. Буферирование является наиболее важным этапом при проектировании УС и включает две основные функции:

? электрическая развязка;

? передача сигналов в нужном направлении;

Остановимся на выборе МС, которые могут применяться для буферирования.

Приёмники магистральных сигналов должны удовлетворять двум основным требованиям: малые входные токи и высокое быстродействие (они должны успевать отработать в течении отведённых им временных интервалов циклов обмена). Конкретное значение допустимых времён задержек определяется используемой схемой интерфейсной части УС, но можно сказать, что МС обычных небыстродействующих КМОП серий здесь не годятся, несмотря на их малые входные токи. Не подходят и МС серии К155 из-за их больших входных токов.

Требованиям, предъявляемым к приёмникам, удовлетворяют следующие серии МС: КР1533, К555, КР1554. Величины входных токов логического нуля для них составляют соответственно 0,2 mA, 0,4 mA, 0,2 mA, а величины временных задержек не превышают соответственно 15нс, 20 нс, 10нс. Отметим, что малые входные токи МС серий КР1533 и КР1554 позволяют подключать к линии магистрали даже два входа таких МС.

Теперь переходим к передатчикам, требования к ним: большой выходной ток и высокое быстродействие. Такие МС имеются у выше рассмотренных серий.

Требования к приёмопередатчикам включают в себя требования к передатчикам и приёмникам: малый входной ток, большой выходной ток, высокое быстродействие и обязательное отключение выходов (переход в третье состояние).

Можно сделать выводы, что наиболее подходящими сериями являются серии КР1533 (К1533), КР1554, но к преимуществам серии 1533 можно отнести широкую номенклатуру, значит, остановим свой выбор именно на этой серии.

5.ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Рассмотрим работу схемы на основании разработанной принципиальной схемы. На шине выставляется адрес устройства. Функцию дешифрации адреса выполняет контроллер PcCard. В результате дешифрации, если обращение произошло к устройству, на выходах микросхемы контроллера появляются данные и управляющие сигналы.

На адресных выходах PcCard появляется адрес. По приходу сигнала IORD определяется место куда будет обращена запись.: WE – запись будет производиться в ОЗУ, WF – запись будет в регистры DD6, DD7 кода частоты повторения сигнала, WA – в регистры DD22, DD30 запишутся код амплитуды выходного сигнала и код скважности с битом сброса счётчика адреса ОЗУ.

Перед началом работы схемы производится сброс счётчика адресов ОЗУ, затем происходит запись кодов выборок в ОЗУ, при этом счётчик, по сигналу WE производит наращивание адреса ОЗУ. ОЗУ заполняется полностью, поступает сигнал WF , после которого происходит запись кода частоты повторения сигнала. Последний шаг – запись кода максимальной амплитуды сигнала и кода скважности. Заключительное слово содержит в себе бит установа счётчика в рабочее состояние. Схема начинает работу.

Тактовый генератор работает с частотой 10 Мгц. Адреса памяти перебираются с частотой изменяемой содержимым регистра DD22, который содержит код скважности. Адреса перебираются от начала до конца, а затем тактовый вход запирается. Делитель частоты собранный на МС: DD11, DD12, DD13, DD15, DD16, DD17, DD19, DD20, DD21, DD24, пропускает частоту в соответствии со значением заданным в регистрах DD6, DD7. Счётчики: DD11, DD12, DD13, DD15, DD16, DD17 перебирают комбинации, компараторы: DD19, DD20, DD21, DD24 сравнивают с имеющимися данными, при совпадении дают сброс счётчика адреса. Таким коды с ОЗУ с некоторой частотой, через определённый интервал появляются на выходах ОЗУ и поступают на регистр DD33, который необходим для одновременного появления кода на входах ЦАП DD34. Аналоговый сигнал имеет заданный вид на выходе ЦАП. Амплитуда сигнала задаётся опорным напряжением, которое поступает с ЦАП DD32. В свою очередь DD32 имеет на выходе напряжение, заданное в регистре DD30. Максимальное значение на выходе DD32 может быть +5В, минимальное – 0В (соответствует всем единицам и всем нулям на выходе регистра). Таким на выходе DD34 появляется аналоговый сигнал с хорошим фронтом с заданной формой, частотой, амплитудой, скважностью.

В том случае если не требуется хороший фронт сигнала, его можно сгладить посредством фильтра на ОУ , работающий в диапазоне частот до 1 Мгц. Его схема представлена ниже.

6. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ

Конструктивно УС представляет плату, которая вставляется в слот платы расширения контроллер PcCard. Ограничение размера платы определяется размером корпуса и количеством и размещением шлейфов. Интерфейсный разъём УС представляет собой печатный проводник, вставляемый в разъём платы расширения.

Для изготовления печатной платы выбран двухсторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1,6 мм ± 0,2 мм (с учётом толщины фольги). Для обеспечения достаточной жёсткости при воздействии на неё механических усилий, печатная плата должна быть прямоугольной формы с соотношением сторон не более 1:2. Коробление платы не должно превышать 1,3 мм по всей длине платы. Для изготовления печатной платы можно использовать либо фото____ метод, либо сеткографический способ. Второй способ является более дешёвым, но выбор метода остаётся за производителем. Высота элементов на плате по возможности должна быть не более 10 мм. После монтажа радиоэлементов и пайки для повышения надёжности печатной платы, на основание платы наносится защитное покрытие. Основная цель покрытия — предотвратить возникновение на плате продуктов коррозии, способных проводить ток. В качестве материала для защиты покрытия используют электроизоляционные лаки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанных теоретических исследований и работы над поставленной задачей была разработана принципиальная схема генератора.

Данное устройство может применяться для построения математических моделей процессов, где нужны таблицы случайных нормально распределённых величин.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

ВУ — внешнее устройство;

Г – тактовый генератор;

МС — микросхема;

Мгц – мега герцы;

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;

ОУ – операционный усилитель;

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;

УС – устройство сопряжения;

ША – шина адреса;

ШД – шина данных;

“0” — уровень напряжения логического нуля;

“1” — уровень напряжения логической единицы;

ЦАП –- цифро-аналоговый преобразователь;

ЭВМ – электронная вычислительная машина;

PcCard – микросхема PCI1250A PC CARD контроллер;

PCI – Peripheral Component Interconnect;

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Новиков Ю. В., Калашников О. А., Гуляев С. Э. Разработка устройств сопряжения для ПК типа IBM PC. Под ред. Новикова Ю. В. — М.: ЭКОМ, 1998 — 224 с.: ил.

2. Зубчук В. И., Сигорский В. П., Шкуро А.Н. Справочник по цифровой схемотехнике. — Киев: Техника, 1990 — 448 с.

3. Шило В. А. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1987 — 352 с.

4. Воробьёв Е. П., Сенин К. В. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги — М.: 1990

5. Якубовский С. В., Барканов Н. А., Ниссельсон Л. И. и др. Проектирование РЭА на интегральных микросхемах: Справочное пособие./ Под ред. Якубовского С. В. — М.: Радио и связь, 1984 — 432 с.

6. Корнейчук В. И., Тарасенко В. П. Вычислительные устройства на микросхемах: Справочник — Киев: Техника, 1988 — 351 с.

7. Аванесян Г. Р., Левшин В. П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. — М.: Машиностроение, 1993

8. Булычев А. Л. и др. Аналоговые интегральные схемы — Минск: 1993

9. Методические указания по оформлению курсовых и дипломных работ/ О.И.Вакарь, Ю.А.Долгов. — Тирасполь, РИО ПГУ, 1998. — 24 с.