Тема заняття: Генератори з довільною формою вихідного сигналу.

Мета заняття навчальна: Вивчити призначення, структурні схеми та принципи роботи генераторів з довільною формою вихідного сигналу.

Питання для самоконтролю.

1. Які умови виникнення коливань в генераторі?

2. Які схеми побудови генераторів застосовують для ГВЧ, які для ГНЧ?

3. Які фактори призводять до нестабільності частоти?

4. Які способи зменшення нестабільності частоти?

5. Чим особливі генератори з кварцовою стабілізацією частоти?

6. В чому відмінність та подібність СЧ та КГ?

7. Які типи СЧ ви знаєте? В чому особливості їх роботи?

Генератори відносяться до найбільш широковживаних приладів, як джерела синусоїдальних, імпульсних та інших сигналів. Сучасні генератори із синусоїдальною формою вихідного сигналу перекривають практично весь частотний діапазон, який використовується в електроніці. Відхилення частоти від номінального значення не перевищує 10^-6. Такі генератори працюють як на фіксованих частотах (КГ, СЧ) так і в певному частотному діапазоні з плавною настройкою. Однак, існує багато випадків, коли форма згенерованого сигналу повинна бути відмінною від синусоїди. Генератори здатні формувати такі сигнали називаються генераторами з довільною формою вихідного сигналу.

1. Основні визначення.

Генератори з довільною формою вихідного сигналу (ГФ) – пристрої, призначені для формування на виході періодичної послідовності сигналів різноманітної форми.

ГФ розділяються на:

• функціональні генератори (генератори кількох простих функцій);

• генератори сигналів довільної форми.

Функціональними генераторами прийнято називати генератори декількох функціональних залежностей (сигналів), наприклад, прямокутних, трикутних і синусоїдальних, які формуються з одного сигналу.

Генератори сигналів довільної форми - генератори в яких вихідний сигнал формується шляхом опитування пам’яті, в якій зберігаються оцифровані відліки сигналу заданої форми «фотографія сигналу», з перетворенням їх в аналоговий сигнал за допомогою високошвидкісних цифро-аналогових перетворювачів ЦАП.

2. Основні параметри гф.

До основних параметрів ГФ відносять:

• Робочий діапазон частот - F.

• Розрядність кодування сигналів по амплітуді – р.

• Число вибірок за період – N.

• Співвідношення сигнал/шум – SNR.

• Нестабільність вихідної частоти –  =f/f.

3. Структурні схеми та принцип дії гф.

1. Функціональні генератори.

Рис. 1. Структурна схема функціонального генератора.

Де: ГТН – генератор трикутної напруги;

ПЕ– пороговий елемент – тригер Шмідта;

ПСН – перетворювач трикутної напруги в синусоїду.

Принцип роботи такого генератора полягає в наступному: ГТН, побудований на інтегральному операційному підсилювачі ОП генерує вихідний сигнал трикутної форми, який надходить на вихід U1, порогів елемент (ПЕ) має гістерезисну передатну характеристику і перетворює трикутні імпульси в прямокутні, які надходять на вихід U2, а в ПСНвідбувається перетворення трикутних імпульсів в синусоїду – вихід U3. Частота сигналів на всіх виходах однакова і рівна частоті трикутного сигналу. Найбільш складним є перетворювач синусоїдальної напруги – він вносить найбільші спотворення (навіть у наші дні рівень розвитку нелінійних перетворювачів не дозволяє отримати синусоїдальну напругу з коефіцієнтом гармонік багато менше 1% в широкому діапазоні частот – від долей Гц до кількох МГц).

Формивихіднихсигналів функціонального генератора	Перетворення трикутної напруги в синусоїдальну

Переваги функціональних генераторів:

• простота схемного рішення;

• параметри визначаються типом застосованих ОП.

Недоліки функціональних генераторів:

• висока нестабільність частоти;

• значний рівень спотворень при перетворенні сигналу в синусоїду;

• параметри визначаються типом застосованих ОП.

Звичайні ОП можуть генерувати до частот в десятки кілогерц при амплітудах до 10-15 В. Проте новітні ОП, можуть використовуватися для побудови функціональних генераторів з частотами до десятків мегагерц, але з амплітудою імпульсів до 3-5 В. Сучасні функціональні генератори часто виконуються на основі спеціалізованих ІМС (MAX038 фірми MAXIM).

2. Генератори сигналів довільної форми з цифровим способом формування сигналу.

Рис. 2. Структурна схема генератора сигналів довільної форми.

Принцип роботи такого генератора розбитий на кілька етапів полягає в наступному:

Етап І:

• на екрані генератора оператором формується (рисується) один період вихідного с сигналу S(t) (рис. 3. а));

Рис. 3. Процес формування оцифровування форми вихідного сигналу.

• процесор розбиває період вихідного сигналу на n точок з проміжками між ними ΔТ та обчислює значення вихідного сигналу в цих точках S(n_i) (рис. 3. б));

• за допомогою АЦП процесор оцифровує кожне значення S(n_i) - ставить йому у відповідність конкретне двійкове число N_i та записує отриманий масив даних «цифрову фотографію (відображення)» вихідного сигналу в ПЗП.

Таким чином, в ПЗП заносяться оцифровані відображення різних форм вихідних сигналів (бібліотека форм сигналів, як сформованих користувачем, так і завантажених туди виробником приладу стандартних сигналів – синусоїди, меандру, трикутного, пилкоподібного тощо).

Етап ІІ:

• оператор вибирає з меню бібліотеки форму сигналу, яку необхідно сформувати на виході;

• в пристрої контролю адрес формується початкова адреса по якій в ПЗП прописаний перший відлік цифрового відображення даного сигналу N₁;

• з ПЗП в регістр зсуву переноситься відлік N₁, після чого в пристрої контролю адрес формується наступна адреса по якій в ПЗП прописаний другий відлік сигналу N₂, який також переноситься в регістр зсуву і т. д. поки весь масив даних цифрового відображення вихідного сигналу за один період не перенесеться в регістр.

Таким чином, в регістр зсуву заноситься масив оцифрованих вибірок сигналу за один період, який необхідно сформувати на виході генератора.

Етап ІІІ:

• по команді процесора регістр зсуву видає на вихід першу вибірку N₁, яка перетворюється в напругу U(n₁) (аналоговий сигнал) за допомогою високошвидкісного ЦАП та підсилюється (масштабується) вихідним підсилювачем;

• вихідний рівень U(n₁) залишається незмінним протягом проміжку часу ΔТ, потім регістр зсуву видає на вихід другу вибірку N₂, яка перетворюється в напругу U(n₂) і також утримується протягом проміжку часу ΔТ;

• процес повторюється, поки на вихід не надійдуть всі вибірки, тобто поки не сформується один період вихідного сигналу.

Як тільки набігає фазовий зсув 360° вихідного сигналу (відтворюється повний період), вироблення адреси припиняється (в режимі одиничного запуску) або відновлюється заново для формування наступного періоду.

Особливості цифрового синтезу сигналів.

Перехід до цифрових методів синтезу сигналів веде до деяких специфічних особливостей: реальний сигнал на виході цифрового генератора U(n_i) відтворює обраний оператором сигнал S(t) з деякою похибкою ΔU(n_i) - шумом квантування (рис. 4). Ця похибка визначає ще один параметр - відношення сигнал/шум (SNR). Якщо ЦАП має p двійкових розрядів, що забезпечують N = 2^p рівнів квантування, то параметр SNRобчислюється за формулою: SNR=2^р×3^1/2.

U(ni) S(t) ΔU(ni)

Рис. 4. Формування вихідного сигналу з вибірок.

Для сучасних генераторів типове число вибірок n складає від декількох сотень до багатьох тисяч на період, а розрядність ЦАП має значення від 8 до 14 біт.

Переваги генераторів сигналів довільної форми:

• можливість задати довільну форму вихідного сигналу;

• наявність різноманітних сервісів притаманних системам керованим процесором.

Недоліки:

• необхідність перетворення цифрових відліків в аналоговий сигнал (наявність шуму квантування);

• підвищена складність пристрою (обов’язкове застосування процесора).