Введение
Во многих технических учебных заведениях, в которых студенты выполняют лабораторные работы, на темы связанные с тестированием электронных устройств, применяют множество различных измерительных приборов. Одним из самых значимых является генератор.
Студентам нужно измерять характеристики схемы и убедиться в том, что она соответствует требованиям технического задания в определенном рабочем диапазоне и за его пределами. Такая измерительная задача требует законченного решения – решения, обеспечивающего не только измерение, но и создание необходимых сигналов.
Генератор сигнала, или источник сигнала, представляет собой источник воздействующего сигнала, который в паре с регистрирующим прибором позволяет создать законченное измерительное решение. В зависимости от конфигурации, генератор сигналов может создавать воздействующие сигналы в виде аналоговых сигналов, цифровых последовательностей, модулированных сигналов, преднамеренных искажений, шума.
Как правило, генераторы сигналов произвольной формы, применяемых в учебных заведениях, морально и физически устарели, поэтому данная дипломная работа посвящена разработке нового генератора произвольной формы на современной элементной базе.
Данное устройство должено:
- быть максимально компактным;
- быть мобильным;
- иметь дистанционное управление с ПК;
- иметь возможность генерации различных периодических сигналов;
- иметь возможность генерации сигналов на максимальном частотном диапазоне.
Общие сведения
1.1 Классификация методов синтеза частот
Еще несколько лет назад прямые цифровые синтезаторы частоты ( DDS) были редкостью и имели ограниченную область применения, их широкое использование сдерживалось сложностью реализации, а также недостаточно широким диапазоном рабочих частот. DDS уже не воспринимаются разработчиками как сложные, непонятные и дорогие устройства.
Синтезатор частот это электронное устройство, способное формировать из опорной частоты на выходе требуемую частоту или набор частот, согласно управляющим сигналам.
Основные параметры, характеризующие качество синтезатора частоты:
чистота спектра выходного сигнала (уровень шума и уровень побочных компонентов );
диапазон перестройки (полоса частот выходного сигнала);
скорость перестройки;
частотное разрешение;
количество генерируемых частот;
гибкость (возможность осуществления разных видов модуляции);
неразрывность фазы выходного сигнала при перестройке.
1.1.1 Прямой аналоговый синтез
Рассмотрим структурную схему прямого аналогового синтезатора, которая изображена на рисуноке 1.1.1.Из-за того, что в нем отсутствует процесс коррекции ошибки, данный метод называют прямым. Качество выходного сигнала напрямую зависит от качества опорного сигнала. Фазовый шум такого синтезатора достаточно низок вследствие прямого синтеза. Перестройка по частоте может быть очень быстрой.
Рисунок 1.1.1 – Прямой аналоговый синтез
Одной из важных особенностей DAS-синтезатора на основе смесителя/фильтра является возможность вернуться на любую частоту и продолжать работать в той же фазе, как если бы перехода не было вообще. Этот эффект называют «фазовой памятью».
Переключаемый банк опорных генераторов используют для перестройки по частоте. Используя делители частоты, имеющие структуру смеситель/фильтр/делитель, можно уменьшить количество необходимых опорных генераторов, хотя и в этом случае возможности перестройки останутся более чем скромными.
1.1.2 Косвенный синтез на основе (PLL)
Рассмотрим косвенный синтез частоты на основе фазовой автоподстройки (PLL) в соответствием с рисунком 1.1.2
Рисунок 2.1.2 – Косвенный синтез на основе фазовой автоподстройки
Этот метод синтеза использует принцип сравнения фазы выходного сигнала и частоты, которая формируется генератором, управляемым напряжением (VCO), с сигналом опорного генератора.Обнаружение ошибки обеспечивает фазовый детектор (ФД), который работает на определенной частоте FC, которая называется частота сравнения. Поскольку делители частоты имеют целочисленные коэффициенты деления, шаг сетки такого синтезатора определяет частота сравнения.
Выходная частота определяется по формуле:
где FOUT — выходная частота;
FC — частота сравнения;
N — коэффициент деления опорной частоты;
M — коэффициент деления выходной частоты.
PLL-синтезатор умножает опорную частоту в N/M раз. Коэффициенты N и M могут задаваться микроконтроллером, хотя на практике число N при перестройке меняют редко, так как это влечет за собой изменение частоты сравнения и требует изменения параметров петлевого фильтра.
Фазовый детектор является источником дополнительных фазовых шумов. Попытка получить малый шаг перестройки частоты вынуждает работать на более низкой частоте сравнения, что требует понижения частоты среза петлевого фильтра. А это еще более увеличивает фазовые шумы. Быструю перестройку частоты в таком синтезаторе обеспечить также очень сложно.
Для получения малого шага перестройки по частоте иногда объединяют в одном синтезаторе несколько петель PLL. Однако многопетлевой PLL-синтезатор является весьма дорогим и громоздким устройством, что сдерживает его широкое применение.
1.1.3 Прямой цифровой синтез (DDS)
Прямой цифровой синтез это относительно новый метод синтеза частоты, который появился в начале 70-х годов двадцатого века. Все описанные методы синтеза доступны разработчикам уже много времени, но только в последнее время DDS уделяется пристальное внимание. Появление дешевых микросхем с DDS и удобных средств разработки делает их сегодня привлекательными для разных сфер применения.
DDS уникальны своей цифровой определенностью ,генерируемый ими сигнал синтезируется со свойственной цифровым системам точностью. Частота, амплитуда и фаза сигнала в любой момент времени точно известны и подконтрольны.DDS практически не подвержены температурному дрейфу и старению. Высокие технические характеристики стали причиной того, что в последнее время DDS вытесняют обычные аналоговые синтезаторы частот.
Основные преимущества DDS:
очень высокое разрешение по частоте и фазе, управление которыми осуществляется в цифровом виде;
экстремально быстрый переход на другую частоту (или фазу), перестройка по частоте без разрыва фазы, без выбросов и других аномалий, связанных со временем установления;
архитектура, основанная на DDS, ввиду очень малого шага перестройки по частоте, исключает необходимость применения точной подстройки опорной частоты, а также обеспечивает возможность параметрической температурной компенсации;
цифровой интерфейс позволяет легко реализовать микроконтроллерное управление.
Частотное разрешение DDS составляет сотые и даже тысячные доли герца при выходной частоте порядка десятков мегагерц. Такое разрешение недостижимо для иных методов синтеза. Другой характерной особенностью DDS является очень высокая скорость перехода на другую частоту. Для DDS скорость перестройки ограничена практически только быстродействием цифрового управляющего интерфейса. Более того, все перестройки по частоте в DDS происходят без разрыва фазы выходного сигнала. Поскольку выходной сигнал синтезируется в цифровом виде, очень просто можно осуществить модуляцию различных видов.
Параметры синтезатора частоты очень важны для аппаратуры связи. Являясь сердцем системы настройки, синтезатор в основном определяет потребительские свойства конкретного аппарата. Как с технической, так и с экономической стороны DDS удовлетворяет большинству критериев идеального синтезатора частоты: простой, высокоинтегрированный, с малыми габаритами. Современные DDS используют субмикронную CMOS-технологию, трехвольтовую логику, миниатюрные корпуса. Одновременно постоянно снижаются цены на них. Все это делает DDS очень перспективными приборами.[16]
Типы генераторов сигналов произвольной формы
1.2.1 Генераторы сигналов произвольной формы и стандартных функций (AFG)
Генераторы сигналов произвольной формы можно разделить на генераторы сигналов произвольной формы и стандартных функций (AFG) и генераторы сигналов произвольной формы (AWG).
Генератор AFG предназначен для решения широкого спектра задач и на сегодняшний день генераторы этого типа являются наиболее распространенными. Обычно такой прибор предлагает меньше возможностей по изменению сигнала, чем аналогичный AWG, но обладает превосходной стабильностью и быстрым откликом на изменение частоты. Если исследуемому устройству необходима синусоида и меандр (не говоря уже о прочих сигналах) и возможность почти мгновенного переключения между двумя частотами, то решить эту задачу можно с помощью AFG. Другим достоинством AFG является низкая цена, что делает его весьма привлекательным для приложений, не требующих гибкости AWG.
У AFG и AWG есть общие черты, хотя по конструкции AFG является более специализированным прибором. AFG обладает уникальными преимуществами: он создает стабильные сигналы стандартных функций ,в частности, широко применяемые синусоиды и меандры – обладающие высокой точностью и быстро перестраиваемые по частоте. Быстрая перестройка означает возможность быстрого и чистого перехода с одной частоты на другую.
Большинство AFG предлагает набор следующих широко используемых сигналов и функций:
Синусоида
Меандр
Треугольник
Свипирование
Импульс
Линейное нарастание
Модуляция
Гаверсинус
И хотя AWG тоже могут генерировать все эти сигналы, современные AFG обеспечивают улучшенное управление фазовыми, частотными и амплитудными характеристиками выходного сигнала.
Кроме того, многие AFG позволяют модулировать сигнал внутренним или внешним источником, что очень важно для некоторых типов тестирования на соответствие стандартам. Старые модели AFG для создания выходных сигналов использовали аналоговые задающие генераторы с последующей обработкой сигнала.
Последние модели AFG используют технологию прямого цифрового синтеза (DDS) тактовой частоты, с которой выборки сигнала извлекаются из памяти.
Особенностью технологии DDS является синтез выходных сигналов и всех частот, используемых внутри прибора, только из одной тактовой частоты. На рисунке 1.2.1 показана упрощенная архитектура AFG, построенного на основе DDS.
Рисунок 1.2.1-схема упрощенной архитектуры AFG
Регистр фазовых приращений в фазовом аккумуляторе принимает инструкции от контроллера частоты, показывающие, на сколько должна изменяться фаза выходного сигнала в каждом следующем периоде. В современных производительных AFG разрешение по фазе может достигать 2^-30, что примерно равно 1/1000 000 000.
Выход фазового аккумулятора используется в качестве тактовой частоты для памяти сигналов. Работа этого прибора очень напоминает работу AWG, за тем исключением, что память сигналов содержит обычно лишь несколько базовых сигналов, таких как синус и меандр.
Аналоговая выходная цепь обычно представляет собой фиксированный фильтр нижних частот, который обеспечивает поступление на выход только запрограммированной полезной частоты (подавляя проникновение тактовой частоты).
Чтобы лучше понять, как фазовый аккумулятор создает нужную частоту, представьте себе, что контроллер посылает значение “1” в 30-битный регистр фазовых приращений. Выходной регистр фазовых приращений фазового аккумулятора будет изменять фазу на 360/230 градусов в каждом периоде, поскольку полный период выходного сигнала соответствует фазе 360 градусов. Следовательно, значение “1” регистра фазовых приращений соответствует минимальной частоте выходного сигнала и требует 230 приращений для создания одного периода.
Генератор будет работать на этой частоте до поступления нового значения в регистр фазовых приращений. Значения больше “1” будут быстрее проходить полный период 360 градусов, создавая более высокую выходную частоту (некоторые AFG используют другой подход: они повышают выходную частоту, пропуская некоторые выборки, ускоряя, тем самым, считывание содержимого памяти).
Единственное, что при этом меняется, это значение фазы, поступающее от контроллера частоты. Главную тактовую частоту менять не надо. Кроме того, это позволяет начинать генерацию сигнала с любой точки периода.
Допустим, нам надо получить синусоиду, которая начинается с максимума положительной полуволны. Элементарная математика говорит, что этот максимум соответствует фазе 90 градусов. . Следовательно:
2^30 приращений = 360°;
и 90° = 360° / 4;
следовательно, 90° = 2^30 / 4
Когда фазовый аккумулятор получает значение, эквивалентное (2^30 / 4), он заставляет память сигналов начать генерацию с точки, содержащей положительный максимум синусоидального сигнала.
В памяти готовых сигналов типичного AFG хранится несколько стандартных сигналов. Обычно, наиболее частое применение находят синусоидальные сигналы и меандры. Сигналы произвольной формы хранятся в области памяти, доступной для перепрограммирования пользователем. Эти сигналы можно определять с той же гибкостью, как и в традиционных AWG. Однако архитектура DDS не поддерживает сегментирование памяти и последовательный вывод сигналов. Такими расширенными возможностями обладают только высокопроизводительные AWG.
Архитектура DDS обеспечивает исключительно высокую скорость перестройки частоты, упрощая программирование частотных и фазовых изменений, что полезно для тестирования устройств, использующих частотную модуляцию – например, компонентов радиостанций и спутниковых систем. И если вам хватает частотного диапазона AFG, то такой генератор идеально подходит для тестирования ЧМн и телефонных технологий со скачкообразной перестройкой частоты, таких как GSM.
И, хотя AFG не обладает возможностью создания практически любых форм сигналов, как это делает AWG, он может воспроизводить большинство широко распространенных сигналов, используемых в лабораториях, ремонтных центрах и конструкторских отделах. Кроме того, он обеспечивает превосходную скорость перестройки частоты. И, что немаловажно, AFG зачастую является самым экономичным решением.
1.2.2 Генераторы сигналов произвольной формы (AWG)
Генератор сигналов произвольной формы (AWG) может создать сигнал любой мыслимой формы. При этом для создания нужного сигнала можно использовать множество методов – от математической формулы до «рисунка» сигнала.
В сущности, AWG представляет собой сложную систему воспроизведения, которая создает сигналы на основе сохраненных цифровых данных, описывающих постоянно изменяющиеся уровни напряжения сигнала переменного тока. Блок-схема этого прибора обманчиво проста.
Если обратиться к более привычным терминам, AWG можно представить, как плеер компакт-дисков, который считывает сохраненные данные в реальном времени (в AWG – из собственной памяти сигнала; в CD плеере – с диска).
Оба эти устройства выдают на выход аналоговый сигнал. Для понимания принципа работы AWG нужно сначала усвоить общую концепцию цифровой дискретизации.
Суть цифровой дискретизации полностью описывается ее названием: она определяет сигнал с помощью дискретных выборок, или точек данных, представляющих собой последовательность измеренных напряжений вдоль графика сигнала.
Эти выборки можно определить, реально измеряя сигнал, например, осциллографом, или используя графические или математические методы. На рисунке 1.2.2 (слева) показана серия выборок.
Все выборки получены через равные интервалы времени, хотя по виду кривой может показаться, что интервалы не равны. В AWG значения выборок сохраняются в двоичной форме в быстром Оперативном Запоминающем Устройстве (ОЗУ).
Рисунок 1.2.2 -Серия выборок, представляющих синусоиду (слева) и реконструированная синусоида (справа)
Используя сохраненную информацию, сигнал можно в любое время реконструировать, считывая значения из памяти и про- пуская их через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Результат показан на рисунке 1.2.2 (справа). Обратите внимание, что выходная цепь AWG содержит фильтр, который объединяет отдельные точки в чистый, непрерывный выходной сигнал. В результате исследуемое устройство не «видит» отдельных точек сигнала, а воспринимает его как непрерывную аналоговую волну.
Упрощенная блок-схема AWG, реализующая описанные функции, показана на рисунке 1.2.3
Рисунок 1.2.3- Упрощенная архитектура генератора сигналов произвольной формы
AWG предлагает гибкость, практически не достижимую другими приборами. Обладая возможностью воспроизводить сигнал любой мыслимой формы, AWG может применяться практически везде, от моделирования работы антиблокировочной системы тормозов автомобиля до тестирования беспроводных сетей в предельных режимах.[1]
1.3Обзор существующих генераторов сигнала произвольной формы
1.3.1 Protek 9305
Одну из самых массовых и известных серий генераторов сигналов произвольной формы выпускает фирма Protek. Она начинается с генератора Protek 9305.
Основные возможности и характеристики этого генератора:
Формирование сигнала методом прямого синтеза (DDS).
Диапазон частот основных типов сигналов от 100 мкГц до 5 МГц.
Разрешение по вертикали 12 битов, частота дискретизации 200 МГц.
Память формы сигнала 4 096 точек.
Высокая точность установки коэффициента заполнения — до 1/1000.
Режимы модуляции сигнала: АМ, ФМ, ЧМ, ИМ.
Высокая точность и разрешающая способность установки ЧМ сигналов.
Плавная регулировка фазы в сигналах с высокочастотным заполнением.
Раздельная установка частот старта и остановки в режиме качания частоты.
Произвольная установка глубины АМ (от 1 до 120%).
10 каналов памяти для синтезируемых сигналов.
27 типов стандартных выходных сигналов (плюс произвольно задаваемые сигналы).
Встроенный частотомер с частотой измерения до 100 МГц.
RS232C интерфейс, GPIB интерфейс (опция).
Другие генераторы сигналов произвольной формы Protek отличаются только более высокой максимальной генерируемой частотой:
9310 — до 10 МГц;
9320 — до 20 МГц;
9340 — до 40 МГц;
9380 — до 80 МГц;
93120 — до 120 МГц.
Фирма Protek охотно идет на сотрудничество с российскими фирмами, и ее приборы в Россию поставляются под торговыми марками AKTAKOM и АКИП.
1.3.2 АНР_4010
Под торговой маркой АКТАКОМ на нашем рынке представлена серия генераторов произвольной формы AHP, подобная генераторам фирмы Protek.
Рассмотрим кратко их характеристики:
Форма выходного сигнала: синус, прямоугольник, импульс, треугольник, лестничный, пилообразный, произвольный, кардиограмма, sin(x)/x, шум, экспонента, логарифм и пр.;
частота выходного сигнала 10 мкГц ... 10 МГц;
амплитуда выходного сигнала 1 мВп-п ... 10 Вп-п (50 Ом, f≤20 МГц), 100 мкВп-п ... 3 Вп-п (50 Ом, f>20 МГц), 2 мВп-п ... 20 Вп-п (1 МОм, f≤20 МГц), 200 мВп-п ... 6 Вп-п (1 МОм, f>20 МГц);
габаритные размеры 240Ч90×300 мм;
масса 3 кг.
Другие модели отличаются максимальной частотой генерации синусоидального напряжения:
АНР_4020 20 МГц;
АНР_4040 40 МГц;
АНР_4060 60 МГц;
АНР_4080 80 МГц;
АНР_4120 120 МГц.
Под торговой маркой АКИП на нашем рынке представлена аналогичная серия генераторов: ГСС-05, ГСС-05/1, ГСС-10, ГСС-10/1, ГСС-20, ГСС-20/1, ГСС-40, ГСС-40/1, ГСС-80, ГСС-80/1, ГСС-120, ГСС-120/1.
Как нетрудно понять, цифры указывают на верхний предел частоты в мегагерцах. Генераторы с цифрой 1 под дробной чертой имеют повышенную стабильность частоты.
На рис. 1.3.2 показан внешний вид генератор ГСС-80. Он характерен и для генераторов клона АКТАКОМ и оригинальных моделей фирмы Protek.[2]
Рисунок 1.3.2. Внешний вид генератора сигналов произвольной формы ГСС-80
1.3.3 Генератор сигналов произвольной формы Hantek DDS-3005
Прибор имеет автоматическую калибровку.
На рисунке 1.3.3 показан внешний вид генератора Hantek DDS-3005.
Генератор Hantek DDS-3005 может создавать стандартные и специальные электромагнитные сигналы различных видов: прямоугольные, синосоиды, импульсные, пилообразные и т.д.
Универсальность позволяет применять устройство при наладке, проверке и настройке различных каналов связи и высокоточных радиоэлектронных приборов. Отличается крайне низким уровнем искажения, высокоточными результатами работы благодаря очень низкому уровню погрешности и оптимальным соотношением цены и качества. Может работать с устройствами различного типа.
Генератор сигналов Hantek DDS-3005 может работать как подключенным к ПК, так и автономно. Есть встроенный двух канальный частотомер диапазон которого доходит до 2.7 ГГц.
Поскольку прибор имеет USB-интерфейс, для его работы не нужен блок питания или батареи. Пользователь может создавать параметры сигнала, рисовать точку, используя компьютерную мышь.
Несколько генераторов серии можно подключать к одному ПК и использовать в мультиканальном режиме. Одинарный генератор DDS-3005 может работать как модуль для других устройств, выдавая сигнал с установленными пользователем параметрами частотой до 5 МГц.[3]
Рисунок 1.3.3- Генератор сигналов произвольной формы Hantek DDS-3005
Таблица 1.3.4 Характеристики генератора сигналов произвольной формы Hantek DDS-3005
Вывод сигнала произвольной формы
|
Частота
|
от 0.1 до 5 Мгц
|
Разрешение
|
0.01 Гц
|
ЦАП
|
0-50 Мгц шагами по 0.2 Гц
|
Каналы
|
1 канал вывода сигнала
|
Глубина памяти
|
256К сэмплов
|
Вертикальное разрешение
|
14 бит
|
Стабильность
|
<30ppm
|
Амплитуда
|
+- 10В
|
Выходной импеданс
|
50 Ом
|
Выходной ток
|
50мА (пик 100мА)
|
ФНЧ
|
5 МГц, 1 МГц, 10КГц, 1КГц, программируемый контроль
|
Гармонические искажения сигнала
|
-65dBc (1КГц), -53dBc(10 КГц)
|
1-й канал частотомера
|
Диапазон
|
0-25 МГц
|
Амплитуда входного сигнала
|
400мВ - 25В от пика до пика
|
Развязка
|
AC,DC
|
Точность
|
+- ошибка базы времени +- отсчет
|
2-й канал частотомера
|
Диапазон
|
25 МГц - 2.7 ГГц
|
Входная мощность
|
±20dbm
|
Стандартная частота
|
25 МГц
|
Развязка
|
AC
|
Точность
|
+- ошибка базы времени +- отсчет
|
Скорость старения
|
+-1 ppm в год
|
Цифровой выход и выход
|
Бит
|
8 бит + 1 бит синхросигнала + 1 бит внешнего сигнала
|
Уровень
|
3/5В TTL/CMOS
|
Условия эксплуатации
|
Температура
|
0-70 С
|
Влажность
|
0-65%
|
Вес
|
0.7 Кг
|
|
|
|
| |
