Содержание
Введение 6
1 Выбор и обоснование направления проектирования 7
2 Расчет на структурном уровне 9
3 Выбор и расчет элементов электрической схемы 11
3.1 Генератор на кварцевом резонаторе 11
3.2 Фильтр нижних частот 12
3.3 Интегратор 13
3.4 Мультиплексор 15
4 Электрическое моделирование 16
5 Анализ метрологических характеристик 18
Заключение 19
Список использованных источников 20
Введение
Для исправного функционирования любого электронного оборудования необходим источник периодических колебаний с достаточно малой нестабильностью частоты. Его назначение – синхронизация процессов, модуляция сигналов по закону передаваемого сообщения или с целью выделения полезной информации. Такие источники существенно различаются по средней частоте, уровню сигнала и по относительной нестабильности частоты, которая может изменяться на много порядков – от 10-3до 10-12.
В любом микропроцессорном устройстве источником тактовых сигналов является генератор. Для точного измерения временных интервалов в микроконтроллерах применяются кварцевые генераторы. В радиопередающих и радиоприемных устройствах генераторы используются для выдачи задающих, промежуточных частот. В измерительной технике генераторы применяются для подачи сигналов различной формы, частоты, амплитуды на электронные устройства с целью их настройки, калибровки, проверки. Кроме того, генераторы в настоящее время широко применяются в бытовых устройствах: СВЧ-печи (генератор СВЧ-колебаний), электронные и электромеханические часы.
В данной работе рассмотрена реализация функционального генератора. Приводятся функциональная и принципиальная схемы проектируемого устройства, описываются его основные характеристики, принцип построения и работы.
1 Выбор и обоснование направления проектирования
Из обзора информационных материалов были выделены аналоги разрабатываемого устройства, которые выполняют схожие задачи. Это RC-генератор на основе ИМС таймера 555,LC-генератор и генератор с кварцевой стабилизацией частоты [1].
Рассмотрим схему RC-генератора на основе ИМС таймера 555, которая представлена на рисунке 1. Работа генератора основана на заряде емкости через времязадающую цепь до уровня напряжения, при котором происходит переключение триггера и последующем его разряде через цепь разряда до уровня, когда триггер переключится в исходное положение.
Рисунок 1– Генератор на ИМС 555
Основные достоинства генератора на ИМС 555 это интегральное исполнение и малое число дополнительных компонентов. Недостатки это невозможность получения импульсов требуемой скважности, отсутствие выходных треугольных импульсов и гармонического сигнала, неудовлетворительная стабильность до 10-2[1].
На рисунке 2 представлена схема LC-генератора Хартли. Работа генератора основана на генерации высокочастотных синусоидальных колебаний в усилителеподобной схеме с обратной связью в видеLC-контура, обеспечивающей усиление на его резонансной частоте.
Рисунок 2–LC-генератор Хартли
К достоинствам можно отнести невысокую стоимость. Недостатками являются отсутствие выходных прямоугольных и треугольных импульсов и неудовлетворительная стабильность до 10-4[1].
Наконец, на рисунке 3 изображен генератор Пирса с кварцевой стабилизацией частоты. Принцип работы схож с принципом работы LC-генераторов, где вводится положительная обратная связь и обеспечивается усиление на резонансной частоте, что ведет к автоколебаниям.
Рисунок 3 - Генератор Пирса с кварцевой стабилизацией частоты
Достоинство кварцевых генераторов – это стабильность порядка 10-6. Недостатки отсутствие выходных треугольных импульсов и гармонического сигнала, более высокая стоимость, старение кристалла [1].
Все указанные устройства схожи и частично выполняют требования технического задания.
В целом, за прототип можно принять генератор с кварцевой стабилизацией частоты, удовлетворяющий основным требованиям технического задания, и затем добавить фильтр нижних частот для получения на выходе гармонического сигнала. Дополнительно введём интегратор, чтобы получить треугольные импульсы. С помощью аналогового мультиплексора будем выбирать один из трех сигналов на входе.