Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки україни

Національний авіаційний університет

ДИПЛОМНА РОБОТА

(пояснювальна записка)

Київ 2008

Пояснительная записка к дипломной работе "Генератор цифровых тестовых сигналов": 105 страниц, 46 рисунков, 35 формул, 12 использованных источников.

ГЕНЕРАТОР, ЦИФРОВОЙ, СИГНАЛ, ИЗМЕРЕНИЯ, СХЕМА

Цель дипломной работы - разработка генератора цифровых тестовых сигналов.

Метод исследования - проведение расчетов и построение узлов разрабатываемого устройства. Учитывались основные параметры, влияющие на работу генератора.

Материалы дипломной работы рекомендуется использовать при проведении научных исследований, в учебном процессе и практической деятельности специалистов соответствующих области науки и техники.

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень сокращений

Введение

РАЗДЕЛ 1. Классификация цифровых приборов

1.1 Тест-генератор TR-0836/Т046

1.2 Программно-управляемый функциональный генератор

1.3 Простой генератор испытательных телевизионных сигналов

РАЗДЕЛ 2. Модели цифровых сигналов

2.1.1 Основные понятия частотного представления сигнала

2.1.2 Связь между скоростью передачи данных и шириной полосы

2.2 Цифровая обработка сигналов

2.2.1 Медианная фильтрация сигналов

2.3 Модуляция и управление информационными параметрами сигналов

2.3.1 Классификация сигналов и методов модуляции

2.3.2 Методы амплитудной, фазовой и частотной модуляции

2.3.3 Цифровые методы модуляции

2.4 Методика измерения характеристики преобразования АЦП

2.4.1 Описание методики

РАЗДЕЛ 3. Разработка генератора тестовых сигналов

3.1 Разработка структурной схемы устройства

3.2 Разработка функциональной схемы устройства

3.3 Разработка принципиальной схемы устройства

3.3.1 Проектирование схемы детектора фронтов

3.3.2 Генератор тактовых импульсов

3.3.3 Схема подсчета тактовых импульсов

3.3.4 Схема преобразования параллельного кода в последовательный

3.3.5 Схема управления

РАЗДЕЛ 4. Охрана труда

РАЗДЕЛ5. Охрана окружающей среды

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ПК - персональный компьютер

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ЦИ - цифровая индикация

УУ - устройство управления

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ТИС - телевизионный испытательный сигнал

КГ - кварцевый генератор

ДЧ - делитель частоты

АМ - амплитудная модуляция

ФМ - фазовая модуляция

ЧМ - частотная модуляция

УВЧ - усилитель высокой частоты

УПЧ - усилитель промежуточной частоты

УНЧ - усилитель низкой частоты

ИКМ - импульсно-кодовая модуляция

ТГ - тактовый генератор

ВВЕДЕНИЕ

Ускорение научно-технического прогресса, развитие автоматизации процессов производства требует постоянного совершенствования систем сбора и переработки информации. Наиболее успешно это решается при выполнении операций с величинами, представленными в дискретном (цифровом) виде.

К основным преимуществам обработки дискретной информации следует отнести высокую точность, большое быстродействие и хорошую помехозащищенность, в чем немалую роль сыграл опыт разработки средств цифровой вычислительной техники. Последнее относится не только к результатам, полученным на выходе цифровых приборов, но и ко многим узлам собственно аналого-цифровых преобразователей (АЦП), представляющих типичные элементы и устройства ПК.

Следует отметить также и то, что в настоящее время в связи со снижением стоимости элементов и узлов цифровой и вычислительной техники наметилась тенденция ещё более широкого введения этих элементов в состав измерительных устройств с цифровым выходом, вплоть до применения процессоров, устройств отображения и т.п. Положительные свойства с многодекадным цифровым отсчетом известны давно и в случаях, когда необходима высокая точность измерения при большом линейном диапазоне, применялись приборы подобного типа (например, мосты и компенсаторы постоянного тока). При этом, однако, логические операции в измерительном процессе выполнялись оператором.

Современные цифровые приборы отличаются большой степенью автоматизации измерительного процесса, высоким быстродействием и удобством передачи результатов измерения на расстоянии, что особенно важно при непосредственной передаче информации в ПК, работающие в режиме реального масштаба времени, например, в системе автоматического управления технологическим процессом. Автоматические цифровые приборы также широко применяют при выполнении лабораторных и цеховых измерений с участием оператора; при этом повышается удобство и производительность измерений, а также исключается субъективная погрешность отсчета, связанная с использованием стрелочных приборов.

В настоящее время наиболее распространены цифровые приборы для измерения таких электрических величин, как напряжение, ток, сопротивление, частота, фаза, период, длительность импульсов и т.д. В данной дипломной работе основное внимание уделено наиболее проверенным вариантом электронных цифровых приборов, выпускающимся серийно или отвечающим требованиям к серийному выпуску. К подобным требованиям, в первую очередь, относится отсутствие в составе комплектующих изделий элементов, требующих индивидуального подбора, технологичность конструкции, удобство эксплуатации.

При проведении различного рода испытаний, измерениях режимов работы электронных схем, а также градуировке измерительных приборов требуются источники электрических сигналов, способные вырабатывать колебания различных частот и форм. Такие источники относятся к генераторам электрических колебаний или, упрощенно, генераторам сигналов. Если генераторы сигналов обладают возможностью точной установки и регулировки в широких пределах выходных параметров, а также высокой стабильностью во времени и при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, их относят к измерительным генераторам.

Среди измерительных генераторов различают генераторы гармонических и импульсных сигналов, сигналов специальной формы, т.е. формы, отличающейся от прямоугольной (пилообразной, трапецеидальной, треугольной и т.п.), качающейся частоты и ряд других. По виду модуляции выделяют генераторы с амплитудной, частотной, импульсной, комбинированной, различными видами манипуляций и прочее.

Измерительные генераторы импульсных сигналов разделяют на генераторы одиночных импульсов и непрерывных последовательностей, парных импульсов и импульсов, представляющих кодовые группы.

Наряду с измерительными генераторами, генераторы сигналов как отдельные функциональные узлы используются в схемотехнике радиопередающих и приемных устройств, в аппаратуре вычислительной, медицинской, бытовой техники, в устройствах автоматики, телемеханики и многих других областях.

Такое многообразие сфер применения обусловило необходимость создания универсальных источников сигналов, т.е. сигналов не только синусоидальной, но и ряда других форм: меандра, треугольной и т.п. Эти источники относят к генераторам специальной формы или, как их еще называют, функциональным генераторам. Однако многофункциональность предусматривает и необходимость наличия достаточно большого количества элементов регулировки и управления генератором, что значительно усложняет его эксплуатацию. Поэтому разработчики следуют по пути программного управления функциями прибора посредством микропроцессорной системы.

Среди измерительных генераторов различают генераторы гармонических и импульсных сигналов, сигналов специальной формы, т.е. формы, отличающейся от прямоугольной (пилообразной, трапецеидальной, треугольной и т.п.), качающейся частоты и ряд других. По виду модуляции выделяют генераторы с амплитудной, частотной, импульсной, комбинированной, различными видами манипуляций и прочее.

Измерительные генераторы импульсных сигналов разделяют на генераторы одиночных импульсов и непрерывных последовательностей, парных импульсов и импульсов, представляющих кодовые группы.

Наряду с измерительными генераторами, генераторы сигналов как отдельные функциональные узлы используются в схемотехнике радиопередающих и приемных устройств, в аппаратуре вычислительной, медицинской, бытовой техники, в устройствах автоматики, телемеханики и многих других областях.

Такое многообразие сфер применения обусловило необходимость создания универсальных источников сигналов, т.е. сигналов не только синусоидальной, но и ряда других форм: меандра, треугольной и т.п. Эти источники относят к генераторам специальной формы или, как их еще называют, функциональным генераторам. Однако многофункциональность предусматривает и необходимость наличия достаточно большого количества элементов регулировки и управления генератором, что значительно усложняет его эксплуатацию. Поэтому разработчики следуют по пути программного управления функциями прибора посредством микропроцессорной системы.

РАЗДЕЛ 1.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЦИФРОВЫХ ПРИБОРОВ

Правильно составленная классификация облегчает изучение тех или иных предметов и, более того, в ряде случаев направляет исследователя на создание новых устройств, свойства которых не были известны. К настоящему моменту имеется значительное количество предложений по классификации цифровых приборов, которые отражают разные этапы развития цифровой измерительной техники и различный подход к выбору основных классификационных признаков. Рассматриваемая классификация основана на некоторых признаках, представляющих интерес для пользователя цифровых приборов, и охватывает практически все известные типы электронных цифровых измерительных устройств.

Цифровой измерительный прибор состоит из АЦП и устройства цифровой индикации УИ. Если нет необходимости в визуальном контроле результатов измерения, АЦП применяют как самостоятельное устройство, обеспечивающее на своем выходе выдачу результатов измерения в коде, удобном для ввода в ПК.

Назначение узлов АЦП следующее. Во входном преобразователе ПР1 аналоговая величина преобразовывается из одного вида в другой (А1-А2); например, здесь производится масштабирование входного сигнала, преобразование напряжения, сопротивления, емкости и других величин в постоянное напряжение.

КАФЕДРА РЭ

В этом же узле осуществляется, как это требуется в некоторых типах АЦП, предварительная дискретизация по времени, при которой с помощью специальных схем выборки непрерывный сигнал превращается в последовательность импульсов, величина которых соответствует уровню непрерывного сигнала в определенные моменты времени. Собственно преобразование аналоговой величины в код (А2-К1) выполняется преобразователем аналог-код ПР2. Однако, если на выходе этого преобразователя код, например, отраженный неудобен для дальнейшего использования, то в таком случае применяют дополнительный преобразователь ПР3, который служит для получения кода К2; последний поступает на вход АЦП или на УИ. Согласованную работу узлов обеспечивают сигналы устройства управления УУ. В зависимости от назначения и принципа действия приборов иногда совмещают функции отдельных узлов или исключают их. На основании особенностей работы узлов АЦП выбраны следующие классификационные признаки.

Основную функцию АЦП выполняет преобразователь аналог-код; поэтому в качестве первого классификационного признака выбран способ формирования разрядов в процессе преобразования аналоговой величины в код. Наибольшее распространение в АЦП получили временной и пространственный способы формирования разрядов.

Аналого-цифровые преобразователи с пространственным способом формирования разрядов позволяют определить все разряды кода одновременно. Цифровой код передается по много проводной (по числу разрядов) линии связи. Кроме таких АЦП поразрядного кодирования с параллельной (одновременной) отработкой разрядов к данному типу преобразователей относят специальные АЦП пространственного кодирования. Эти устройства содержат диск или маску с кодовым рисунком; дискриминаторы, позволяющие установить в каждом из разрядов 1 или 0, и устройства считывания. Кодовый рисунок на диске или маске соответствует выбранному коду.

Как правило, используют отраженный код, позволяющий снизить ошибку неоднозначности до единицы младшего разряда, в то время как при позиционном двоичном коде ошибка может достигать 50% максимального значения.

При временном способе разряды цифрового кода образуются последовательно один за другим и в таком же порядке поступают по однопроводной линии в следующие узлы прибора. К таким АЦП относят устройства с время - импульсным преобразованием, в которых постоянное напряжение преобразуется в пропорциональный ему временной интервал, а затем с помощью измерителя интервалов в цифровой код, так что к моменту окончания временного интервала завершается отработка последнего разряда; а также АЦП поразрядного кодирования с последовательной отработкой разрядов.

В электромеханических АЦП маска или диск смещаются пропорционально преобразуемой аналоговой величине относительно неподвижного устройства считывания; в электронных - маска неподвижна, а плоский считывающий луч электронно-лучевой трубки, смещается. Некоторое распространение получили электромеханические АЦП, используемые в преобразователях угол-код. АЦП пространственного кодирования, основанные на применении кодирующей электронно-лучевой трубки, с помощью которых можно добиться высокого быстродействия, из-за значительных трудностей при разработке узлов прибора распространения не получили. Электронный вариант пространственного АЦП, включающий 2ⁿ-1 схем сравнения, на выходы которых подается исследуемое напряжение и напряжения от 2ⁿ-1 источников опорных сигналов (делителей напряжения ), отличающихся от соседних по уровню на 1 квант, обеспечивает длительность преобразования, равную времени срабатывания одной схемы сравнения и дешифратора.

При выборе прибора по способу формирования разрядов учитывают, что в данном случае является более важным - экономия оборудования или выигрыш во времени. Для решения компромисса между требованиями быстродействия и экономии оборудования разработаны АЦП со смешанным пространственно-временным способом формирования кода. При этом весь код делится на группы разрядов, которые формируются одновременно с пространственным разделением; обработку групп производят последовательно по определенному временному графику.

Вторым классификационным признаком, во многом определяющим структуру и свойства АЦП, является тип выбранного кода.

Двоичный код применяют, как правило, в АЦП поразрядного кодирования с временным разделением разрядов.

Единичный код (здесь имеется в виду та модификация единичного кода, когда число представляется пакетом единиц, изолированных паузами) применяют в таких широко распространенных АЦП с временным разделением разрядов, как время -импульсный (где с помощью последовательности счетных импульсов измеряется временной интервал) или частотно-импульсный (где аналоговая величина - частота, представленный последовательностью импульсов - преобразуется в число при прохождении на счетчик в течение калиброванного временного интервала).

Если единичный код применяют в АЦП с пространственным разделением разрядов, то во всех каналах имеются независимые образцовые напряжения, отличающиеся друг от друга на один квант, отработка всего кода осуществляется без распространения от разряда к разряду.

Этот метод преобразования называют иногда методом считывания. Дальнейшее преобразование единичного кода в код, удобный для наблюдения или обработки в ПК, требует дополнительного оборудования.

Двоично-десятичный код используют в цифровых приборах с временным разделением разрядов, где с помощью несложного дешифратора тетроды с двоичной организацией достаточно просто обеспечивают отсчет в десятичном коде.

Отраженный код, чаще всего используют при пространственном разделении разрядов, благодаря чему обеспечивается быстрое образование кода, что важно в режиме сложения за непрерывно изменяющимся входным сигналом. Действительно, при изменении входного сигнала на одну градацию в показании происходит замена только в одном разряде и быстро - действие определяется задержкой в одном нуль - органе.

Коды избыточностью например, двоичный с цифрами 1, 0, 1 и другие специальные коды применяют иногда для уменьшения динамических погрешностей из-за переходных процессов, защиты от одиночных сбоев в АЦП с временным разделением разрядов.

В АЦП со смешанным пространственно-временным способом формирования разрядов возможно одновременное использование различных кодов. Так, в интегрирующих цифровых вольтметрах типа НР-3460 А и TR6567 отрабатывается код двумя группами разрядов с помощью единичного кодирования, а связь между группами выполняется с десятичным масштабированием. Существуют и другие комбинации кодов в сочетании с временным и пространственным способами разделения разрядов.

Третий классификационный признак связан с функцией входного преобразователя аналоговых величин (ПР1); преобразуемая величина представляется в следующие узлы АЦП своим мгновенным или интегральным значением.

Определение мгновенного значения сигнала связано с некоторым искажением результата измерения вследствие ограниченности быстродействия АЦП и крутых перепадов уровня сигнала. Для уменьшения искажения используют стробирующее устройство - фиксатор, служащий для запоминания мгновенного значения сигнала и привязки его к определенному моменту. Однако и в этом случае невозможно избавится полностью от некоторого паразитного усреднения и погрешности измерения, определяемой недостаточно совершенным и быстродействующим фиксатором, а также характером сигнала.

В преобразователях интегральных значений на входной узел прибора ПР1 возлагают функции усреднения (выделения постоянной составляющей сигнала или подавления помехи переменного тока), определения среднего, среднего квадратического или амплитудного значения тока или напряжения,

преобразование активного или реактивного сопротивления в напряжение постоянного тока и т.п.

Наконец, в зависимости от способа организации процесса преобразования, который реализуется в УУ, различают АЦП циклического и следящего действия (четвертый классификационный признак).

В приборах циклического действия отдельные этапы преобразования выполняются по жесткой программе, например: сброс предыдущего показания, включение входного сигнала или выборка его текущего значения, собственно измерение или заполнение счетного узла, установка показаний в индикаторном устройстве и выдача сигналов на регистратор или ПК. Частота повторений циклов преобразования (частота дискретизаций) задается специальным синхронизатором, имеющимся в приборе, или синхронизирующими сигналами, поступающими извне. Снятие показания в приборах циклического действия допускается лишь во время определенного такта, так называемого времени индикации. В приборах, имеющих специальные регистры памяти в отсчетном устройстве, показания можно снимать в любое время.

АЦП следящего действия переход к следующему преобразованию осуществляется под воздействием сигналов, вырабатываемых при изменении параметров исследуемого сигнала: уровня сигнала на величину, превышающую порог чувствительности прибора; длительности периода на величину больше единицы квантования и др. Показания прибора все время готовы к снятию и передаче в другие устройства канала. Подобным свойством обладает также АЦП с пространственным разделением разрядов, являющиеся модификацией следящих приборов. Здесь сложение идет за всем уровнем сигнала; отдельный узел управления АЦП при этом не требуется.

Приборы следящего действия можно отнести к устройствам адаптивной дискретизации, поскольку частота преобразований или частота корректирования кода подстраивается по характеру сигнала. Принципиально адаптивную дискретизацию можно реализовать и в приборах циклического действия. При этом, например, частота повторения циклов устанавливается автоматически по данным соседних измерений.

1.1 Тест-генератор TR-0836/Т046

Тест-генератор предназначен для контроля работоспособности и настройки телевизионных приемников, мониторов, видеомагнитофонов и т. п.

Генератор позволяет контролировать прохождение видеосигнала от антенного входа до кинескопа, производить статическое и динамическое сведение лучей кинескопа, регулировать однородность первичных цветов кинескопа и линейность изображения по вертикали и горизонтали и т. д.

Прибором можно оценить устойчивость работы узлов синхронизации кадровой и строчной разверток, а также величину геометрических искажений растра.

Внешний вид генератора TR-0836/Т046 показан на рис. 1.1.

Тест-генератор вырабатывает сигналы:

· В системе PAL по стандартам - B, G, D, H;

· В системе SECAM по стандартам - B, G, D, K.

Типы сигналов:

· Шахматное поле;

· Сетчатое поле;

· Сетчатое поле с точками по растру;

· Черно-белый полукадр;

· Белое поле;

· Черное поле;

· Красное поле;

· Вертикальные цветные полосы в порядке убывания сигнала (сигнал 1 и 2);

· Вертикальные цветные полосы по наибольшему изменению частоты, для системы SECAM и наибольшему изменению фазы, для системы PAL;

· Горизонтальные цветные полосы.

Рис. 1.1. Внешний вид генератора TR-0836/Т046

Видеовыход

Амплитуда выходного полного видеосигнала (черно-белого или цветного) в положительной полярности равна 1 В на нагрузке 75Ом. Выход - открытый.

Номинальное значение амплитуды видеосигнала:

· Сигнала яркости - 0,7 В (70%);

· Синхросигнала - 0,3 В (-30%);

· Уровень "черного" (соответствует уровню гашения) - 0 В.

Высокочастотный выход

По высокочастотному выходу переключение осуществляется кодовым переключателем, обеспечивающим 100 канальных частот, по диапазонам:

· ПЧ, МВ 1-2 диапазон - 38…94 МГц;

· МВ 3 диапазон - 170…230 МГц;

· ДМВ 4-5 диапазон - 470…860 МГц.

Коду 00 соответствует частота ПЧ - 38 МГц. Кодам 01…12 и 12…68 соответствует канальные частоты стандартов D и К. Кодам с 95 по 98 соответствуют целые значения частот, которые могут применятся в качестве меток, в случае измерений с генератором качающейся частоты.

Генератор не содержит корректор группового времени запаздывания. Поэтому при осциллографических измерениях, в случае наблюдения детектированного сигнала, следует учитывать ошибку группового времени запаздывания, равную 90 нс.

Номинальное выходное сопротивление ВЧ-выхода - 75 Ом. Выход закрытый. Номинальное выходное напряжение - 50 мВэфф на нагрузке 75 Ом при измерении в пике синхроимпульсов.

Выходным аттенюатором напряжение плавно регулируется на 100 дБ. Видеосигнал амплитудно-модулирован. Номинальная глубина модуляции - 70%. Нижняя боковая полоса не подавлена. Соотношение несущих звука и изображения - 10: 1.

Частота несущей звука переключается в пределах 5,5…6,5 МГц. Модуляция частотная при девиации частоты59 кГц. Частота модулирующего сигнала - 1 кГц. Выходное напряжение несущей звука - 5 мВ.

Назначение тест-сигналов:

1. Шахматное поле. 18 вертикальных и 14 горизонтальных полос. Используется для:

· Регулировки размера и положения изображения;

· Исследования канала яркости;

· Проверки качества цветовой синхронизации.

2. Сетчатое поле. 19 вертикальных и 15 горизонтальных линий. Сигнал используется для:

· Контроля статического и динамического сведения лучей кинескопа;

· Контроля линейности по строкам и по кадрам.

3. Сетчатое поле с точками. 10 вертикальных и 8 горизонтальных линий с точками в центре квадратов. Сигнал используется для контроля и регулировки статического и динамического сведения лучей кинескопа.

4. Черно-белый полукадр. Комбинация черно-белого перехода по строкам и кадрам. Сигнал используется для:

· Исследования взаимного влияния каналов яркости и цветности;

· Контроля переходных процессов по строкам и кадрам;

· Установки центра изображения.

5. Белое поле. 100% белого по всему растру. Сигнал используется для:

· Регулировки максимума тока луча кинескопа;

· Контроля чистоты цвета.

6. Черное поле. Соответствует уровню гашения по всему растру. Сигнал используется для регулировки уровня гашения.

7. Красное поле. 75% яркости красного по всему растру. Сигнал используется для:

· Контроля чистоты цвета;

· Контроля шума канала цветности.

8. Вертикальные цветные полосы 1. 9 вертикальных цветных полос (белая - желтая - голубая - зеленая - пурпурная - красная - синяя - черная - белая) в последовательности убывания яркости. Амплитуда цветов - 100% белая и 75% цветные полосы. Сигнал используется для:

· Контроля основных цветов;

· Контроля цветопередачи кинескопа;

· Регулировки декодирующих устройств.

9. Вертикальные цветные полосы 2. 9 вертикальных цветных полос (белая - желтая - голубая - зеленая - пурпурная - красная - синяя - черная - белая) в последовательности наибольших перепадов по частоте/фазе для систем SECAM/PAL. Амплитуда цветов - 100% белая и 75% цветные полосы. Сигнал используется для:

· Контроля основных цветов;

· Переходных процессов блока цветности и кинескопа.

10. Горизонтальные цветные полосы. 7 горизонтальных цветных полос (белая - желтая - голубая - зеленая - пурпурная - красная - синяя - черная - белая) в последовательности убивания яркости. Амплитуда цветов - 100% белая и 75% цветные полосы. Сигнал используется для:

· Контроля цветопередачи;

· Контроля яркости и контрастности;

· Контроля цветового тона и насыщенности.

1.2 Программно-управляемый функциональный генератор

При проведении различного рода испытаний, измерениях режимов работы электронных схем, а также градуировке измерительных приборов требуются источники электрических сигналов, способные вырабатывать колебания различных частот и форм. Такие источники относятся к генераторам электрических колебаний или, упрощенно, генераторам сигналов. Если генераторы сигналов обладают возможностью точной установки и регулировки в широких пределах выходных параметров, а также высокой стабильностью во времени и при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, их относят к измерительным генераторам.

Среди измерительных генераторов различают генераторы гармонических и импульсных сигналов, сигналов специальной формы, т.е. формы, отличающейся от прямоугольной (пилообразной, трапецеидальной, треугольной и т.п.), качающейся частоты и ряд других. По виду модуляции выделяют генераторы с амплитудной, частотной, импульсной, комбинированной, различными видами манипуляций и проч.

Измерительные генераторы импульсных сигналов разделяют на генераторы одиночных импульсов и непрерывных последовательностей, парных импульсов и импульсов, представляющих кодовые группы.

Наряду с измерительными генераторами, генераторы сигналов как отдельные функциональные узлы используются в схемотехнике радиопередающих и приемных устройств, в аппаратуре вычислительной, медицинской, бытовой техники, в устройствах автоматики, телемеханики и многих других областях.

Такое многообразие сфер применения обусловило необходимость создания универсальных источников сигналов, т.е. сигналов не только синусоидальной, но и ряда других форм: меандра, треугольной и т.п. Эти источники относят к генераторам специальной формы или, как их еще называют, функциональным генераторам. Однако многофункциональность предусматривает и необходимость наличия достаточно большого количества элементов регулировки и управления генератором, что значительно усложняет его эксплуатацию. Поэтому разработчики следуют по пути программного управления функциями прибора посредством микропроцессорной системы.

Известный опыт в этом направлении имеется у компании Analog Devices, выпускающей в интегральном исполнении функциональные генераторы AD5930, AD5932, AD9833. Так, в частности, компонент AD9833 представляет собой программируемый генератор с возможностью формирования синусоидальных, треугольных и прямоугольных выходных сигналов в диапазоне частот от 0 до 12,5 МГц и не требует подключения дополнительных внешних элементов. Выходные частоты и фазы сигналов задаются программно. При входной тактовой частоте (f_MCLK), равной 25 МГц обеспечивается разрешающая способность до 0,1 Гц, а при тактовой частоте в 1 МГц, AD9833 может иметь разрешение в 0,004 Гц. AD9833 программируется через трехпроводной последовательный интерфейс, работающий с тактовой частотой до 40 МГц, и совместимый с SPI, QSPI, MICROWIRE и DSP стандартными интерфейсами. Генератор сохраняет основные технические параметры при напряжении источника питания от 2,3 В до 5,5 В, при этом потребляемая мощность при напряжении 3 В составляет всего лишь 20 мВт. Тем не менее, с целью дополнительного уменьшения потребляемой мощности этот компонент имеет функцию выключения питания (SLEEP), что позволяет при различных режимах работы отключать отдельные неиспользуемые функциональные узлы устройства. Например, цифро-аналоговый преобразователь может быть отключен, когда сгенерирован импульсный выходной сигнал. На рис. 1.2 приведена упрощенная функциональная схема AD9833.



Рис. 1.2. Функциональная схема AD9833

Синусоидальные сигналы (рис.1.3) можно представить в виде их мгновенного значения a(t) = sin(щt). Однако это нелинейное представление сигнала и его генерация предпочтительна с использованием кусочных конструкций. С другой стороны, представление в угловой форме линейно по своему характеру и представляет фазовый циклический сдвиг на фиксированный угол для каждой единицы времени. Угловая скорость зависит от частоты сигнала и равна щ = 2рf.

Рис. 1.3. Синусоидальный сигнал.

С учетом того, что фаза синусоидального сигнала линейная и известен период повторения, фазовый сдвиг для периода может быть определен как Дц = щДt. Отсюда щ = Дц/Дt = 2рf. Решая относительно f и заменяя тактовую частоту на период (1/f_MCLK), получим

f = Дц Ч f_MCLK/2р.

Компонент AD9833 генерирует сигналы, используя данное выражение. Это достигается посредством применения следующих функциональных узлов: цифрового управляемого генератора с фазовым модулятором, таблицы синусов (SIN ROM) и цифро-аналогового преобразователя (рис. 1.2). Управляемый генератор и фазовый модулятор состоят из двух частотных регистров, фазового аккумулятора, двух фазовых регистров сдвига и схемы суммирования фаз. Таблица SIN ROM используется для преобразования информации с частотных и фазовых регистров с целью формирования совместно с ЦАП синусоидальных сигналов на выходе. Этим процессом управляют разряды MODE и OPBITEN, коммутируя соответствующие цепи генератора. Если таблица SIN ROM исключается из процесса формирования сигнала при переключении MUХ1 разрядом MODE, ЦАП будет генерировать линейную треугольную функцию. В этом случае SIN ROM может быть отключена разрядом SLEEP2. Получение прямоугольных колебаний достигается подключением к выходу схемы компаратора разрядом OPBITEN с возможным отключением ЦАП посредством SLEEP1. Частота последовательности прямоугольных импульсов на выходе при необходимости может быть уменьшена в два раза, что обеспечивается разрядом DIV2 управляющего регистра.

Программирование генератора производится путем загрузки данных в устройство в виде шестнадцатиразрядных слов под управлением последовательности тактовых импульсов SCLK. Вход FSYNC (рис. 1.4) содержит триггер уровня, который обеспечивает кадровую синхронизацию и включение генератора.

Так как компонент имеет различные выходные функции, он может быть использован в разнообразных применениях, в частности, в качестве и автономного генератора. Наряду с традиционными, возможно применение в областях, в которых требуются модулированные колебания. Устройство может быть использовано как для реализации простых типов модуляции, таких как FSK, так и более сложных GMSK, QPSK и ряда других.

В схеме на рис. 1.4 компонент D1 типа 74НСТ244 предназначен для буферизации шины данных и управления, но может быть исключен из схемы, если микроконтроллер конструктивно расположен вблизи от генератора. Так как AD9833 имеет стандартный последовательный интерфейс, он может быть подключен непосредственно к различным микропроцессорам. На рис. 1.5 приведен последовательный интерфейс AD9833 и микроконтроллера 80С51/80L51.

Рис. 1.5. Подключение AD9833 к контроллеру 80С51/80L51.

При работе с генератором микроконтроллер функционирует в режиме 0, тогда линия TxD 80C51/80L51 формирует сигнал SCLK для AD9833, а по линии RxD пересылаются данные. Сигнал FSYNC формируется программно с вывода Р3.3 порта и устанавливается в низкий уровень при пересылке данных, которые передаются в восьмибитном формате. По завершении передачи второго байта данных Р3.3 переводится в высокий уровень. Между двумя операциями записи SCLK необходимо поддерживать в высоком состоянии.

Пример включения AD9833 и микроконтроллера 68НС11/68L11 приведен на рис. 1.6.



Рис. 1.6. Подключение AD9833 к контроллеру 68HC11/68L11.

Микроконтроллер настраивается ведущим с установкой бита MSTR в SPCR в единицу. Это обеспечивает последовательное тактирование SCK до тех пор, пока с выхода MOSI данные поступают на последовательную линию SDATA. Сигнал FSYNC формируется на линии РС7. Условия корректной работы интерфейса следующие:

· SCK находится в высоком состоянии между операциями записи (CPOL = 0);

· данные считываются по срезу SCK (CPHA = 1).

При пересылке данных в AD9833, линия FSYNC устанавливается в низкое состояние. Как и в предыдущем случае, данные пересылаются в восьмибитном формате. Только после пересылки второго байта линия FSYNC может быть снова установлена в высокий уровень.

В цепи управления AD9833 может быть использован и цифровой сигнальный процессор, в частности, семейства ADSP-21хх (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Подключение AD9833 к процессору ADSP-21хх.

Управляющий регистр порта SPORT должен быть запрограммирован следующим образом:

· работа внутреннего источника тактовых импульсов (ISCLK = 1);

· активный низкий уровень линии синхронизации кадров (INVTFS = 1);

· шестнадцатиразрядные слова (SLEN = 15);

· внутренний сигнал синхронизации кадров (ITFS = 1);

· формирование синхронизации кадров для каждой записи (TFSR = 1).

Процесс обмена начинается с записи слова в регистр Тх после того как SPORT инициализирован. Данные поступают на выход по каждому фронту сигнала синхронизации, и по каждому срезу SCLK принимаются в AD9833.

Конструктивно компонент AD9833 выполнен в виде десятивыводного корпуса типа MSOP размерами 3Ч3 (мм) без учета длины выводов, имеющих расстояние между осями 0,5 мм. Печатная плата для AD9833 должна быть скомпонована таким образом, чтобы аналоговые и цифровые цепи были разделены и расположены вблизи соответствующих выводов компонента, а шины аналоговой и цифровой земли должны соединяться в одной точке. Для развязки по цепям питания желательно использовать керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, соединенные параллельно с танталовыми конденсаторами емкостью порядка 10 мкФ, и располагать их на минимальном удалении от компонента. Для предотвращения наводок на другие части платы шина SCLK должна экранироваться цифровой землей, при этом, одна сторона платы с элементами должна полностью отводится под шину земли, а сигнальные шины необходимо располагать на противоположной стороне. При соблюдении этих требований монтажа AD9833 функционирует в штатном режиме.

1.3 Простой генератор испытательных телевизионных сигналов

Проверить центровку изображения, линейность разверток, чистоту цвета, качество сведения трех лучей масочного кинескопа цветных телевизоров (и отрегулировать их при необходимости) поможет генератор телевизионных испытательных сигналов (сокращенно ТИС). Он вырабатывает сигналы равномерно светящегося поля, крестовидной фигуры, а также в двух режимах (густо и редко) сигналы вертикальных и горизонтальных линий и полос, сетчатого, точечного и шахматного полей. Отличают данный прибор наличие единственного подборочного элемента -- конденсатора в формирователе вертикальных линий, а также временная привязка сигнала «крест» к телевизионному изображению, квадратная форма сигналов ячеек сетчатого, точечного и шахматного полей. В предлагаемой схеме все расчеты выполнены в соответствии со стандартом на вещательное телевидение, поэтому регулировки с помощью этого прибора (центровка растра, установка линейности, горизонтального размера) идентичны настройке по УЭИТ, а отсутствие подборочных элементов обеспечивает нормальную работу генератора после его сборки без сложной наладки, что немаловажно для радиомехаников телеателье и особенно для сельских радиолюбителей. Общие принципы определения координат сигналов изображения на экране телевизора, а также простой способ составления схем сквозных делителей частоты с любым коэффициентом деления изложены в радиолюбительской литературе. Поэтому остановимся лишь на характерных особенностях схемы. При воспроизведении изображения широкоугольными цветными кинескопами теряется примерно 6% информации по горизонтали, и потому в простейших генераторах сигналов отпадает необходимость временного сдвига фронта строчного синхроимпульса (ССИ) относительно фронта строчного гасящего импульса (СГИ). Длительность кадровых синхронизирующих (КСИ) и гасящих импульсов (КГИ), а также временной сдвиг между ними -- стандартные. Ячейки сигналов сетчатого, точечного и шахматного полей должны иметь форму квадратов для определения горизонтального размера телевизионного изображения. Упрощенный генератор испытательных сигналов, который можно изготовить самостоятельно, вырабатывает сетчатое и белое поля, вертикальные и горизонтальные линии.

Структура синхросмеси обеспечивает получение на экране устойчивого изображения (без излома вертикальных и подергивания по вертикали).

Формирование сигналов испытательных изображений осуществляется от одного задающего опорного кварцевого генератора, что обеспечивает высокую точность и жесткие фазовые соотношения между элементами сигнала и, как следствие, высокую стабильность в работе.

Структурная схема прибора представлена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Структурная схема генератора испытательных сигналов

Он состоит из задающего опорного кварцевого генератора КГ, делителя частоты ДЧ, узлов формирования сигналов "горизонтальные линии" ? ФГ и "вертикальные линии" ? ФВ и "сетчатое поле" ? СП, строчных УС и кадровых УК синхроимпульсов и узла формирования полного телевизионного сигнала УПТС.

Кварцевый генератор вырабатывает импульсы с частотой следования 1 МГц. Они поступают на делитель частоты ДЧ.

Делитель частоты имеет один вход и 13 выходов, с которых снимаются импульсные сигналы, обеспечивающие работу всех узлов генератора.

С выхода 1 ДЧ прямоугольные импульсы с частотой 500 кГц поступают на вход ФВ, где происходит формирование сигнала вертикальных линий. Через переключатель S1 этот сигнал подается на вход формирователя сетчатое поле ФС.

Для получения испытательного изображения в виде 24 горизонтальных линий служит сигнал горизонтальные линии, формируемый в узле ФГ.

Сигнал "горизонтальные линии" с выхода узла ФГ через переключатель S2 подается на второй вход узла ФС.

При одновременном поступлении на оба входа ФС полученных ранее сигналов (контакты переключателей S1 и S2 замкнуты), на его выходе образуется испытательный видеосигнал "сетчатое поле".

С делителя частоты ДЧ импульсы соответствующих частот поступают в формирователи строчных и кадровых синхроимпульсов. Полный телевизионный сигнал формируется в узле УПТС.

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 1.9.

Задающий опорный кварцевый генератор собран на трех элементах 2И-НЕ (DD1.1…DD1.3).

Узел делителей частоты выполнен на девяти микросхемах DD2…DD10.

Формирование импульсов с требуемыми частотами следования определятся соединением триггеров по счетным и установочным входам, а также охвата их соответствующими связями.

Формирователь вертикальных линий собран на трех двухвходовых элементах 2И-НЕ (DD11.1, DD113). В этом режиме на экране кинескопа воспроизводится около 30 вертикальных линий. Конденсатор С2 определяет длительность импульсов вертикальных линий.

Значимое емкости С2 определяют подбором по толщине вертикальных линий. Их толщину устанавливают равной толщине горизонтальных линий.

Узел формирования горизонтальных линий собран на элементе 4И-не (DD12.2).

На элементе DD14.4 выполнен узел формирования сетчатого поля.

На выходе элемента DD14.4 появляется сигнал "вертикальные линии", если замкнуты только контакты переключателя S1, сигнал "горизонтальные линии" ? если замкнуты только контакты переключателя S2, и сигнал "сетчатое поле" ? при одновременном замыкании контактов S1 и S2.

Строчные синхроимпульсы формируются в узле, который выполнен на элементе 4И-НЕ (DD12.1). Сформированные строчные синхроимпульсы, структура которых представлена на рис. 1.10, подаются на вход УПС.

Узел формирования кадровых синхроимпульсов собран на элементах DD13.1…DD13.3, DD14.1, DD14.2.

Для формирования полного телевизионного сигнала на входы узла УПС подаются строчные и кадровые синхроимпульсы и один из испытательных сигналов.

Осциллограмма результирующей синхросмеси показана на рис. 1.10.

Полный телевизионный сигнал образуется на резисторе R3. Резистор R2 ограничивает величину видеосигнала на уровне 25% в сравнении с амплитудой синхросигналов.

При правильно выполненном монтаже и исправности всех элементов прибор работает сразу.

Для контроля работы функциональных узлов на рис. 1.10 приведены эпюры напряжений в соответствующих точках схемы генератора.

Прибор сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания от 3,4 до 6 В. При напряжении источника питания 5 В потребляемый ток составляет 17 мА.

Рис. 1.9. Принципиальная схема генератора испытательных сигналов



Рис. 1.10. Диаграммы сигналов тест-генератора

РАЗДЕЛ 2. МОДЕЛИ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть либо аналоговым, либо цифровым. Цифровым называется сигнал, интенсивность которого в течение некоторого периода поддерживается на постоянном уровне, а затем изменяется также на постоянную величину. На рис. 2.1 приведен пример цифрового сигнала - набор двоичных единиц и нулей.

Рис. 2.1. Аналоговый и цифровой сигналы

Цифровой сигнал представляет собой последовательность импульсов напряжения, которые могут передаваться по проводной линии; при этом постоянный положительный уровень напряжения может использоваться для представления двоичного нуля, а постоянный отрицательный уровень - для представления двоичной единицы.

Основное преимущество цифровых сигналов состоит в том, что их передача в общем случае дешевле и менее восприимчива к помехам, чем передача аналоговых сигналов. Основной недостаток - цифровым сигналам затухание вредит больше, чем аналоговым. На рис. 2.2 показаны исходная последовательность импульсов напряжения, генерируемых источником, и эти же импульсы, прошедшие некоторое расстояние по передающей среде. Из-за затухания, или ослабления, мощности сигнала на высоких частотах импульсы становятся более сглаженными и низкими. Ясно, что это затухание довольно быстро может привести к потере информации, содержащейся в передаваемом сигнале.

Рис. 2.2. Ослабление цифровых сигналов

В общем случае оборудование для кодирования цифровых данных цифровым сигналом дешевле и проще, чем оборудование для модулирования цифровых данных аналоговым сигналом (рис.2 3.).

Рис. 2.3. Кодирование цифровых данных цифровым и аналоговым сигналом

Цифровая передача данных связана с содержанием сигнала. Цифровой сигнал можно передать только на ограниченное расстояние, пока затухание не нарушит целостности данных. Для передачи цифровых данных на большие расстояния используются ретрансляторы, которые принимают цифровой сигнал, восстанавливают закодированную комбинацию нулей и единиц и передают новый сигнал. Таким образом происходит компенсация затухания.

Простейшим типом сигнала является периодический сигнал, в котором некоторая структура периодически повторяется во времени. На рис. 2.4 приведен пример периодического цифрового сигнала (прямоугольный сигнал, или меандр). Математическое определение: сигнал s (t) является периодическим тогда и только, когда:

S(t + T)=s(t) - ? < t > + ?, 2.1

где постоянная Т является периодом сигнала (Т Ї наименьшая величина, удовлетворяющее этому уравнению). Если невозможно найти Т, удовлетворяющее уравнению, сигнал называется апериодическим.

В общем случае такой сигнал можно определить тремя параметрами: максимальной амплитудой А, частотой f и фазой ц. Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени; измеряется максимальная амплитуда, как правило, в вольтах. Частотной называется темп повторения сигналов (в периодах за секунду, или герцах). Эквивалентным параметром является период сигнала Т, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала; следовательно, Т =1/f. Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала (данный термин будет проиллюстрирован несколько ниже).

В общем случае синусоидальный сигнал можно представить в следующем виде:

S (t) =A sin (2рf t + ц) 2.2.

Влияние изменения каждого из трех параметров показано на рис. 2.5. На рис. 2.5, а частота составляет 1 Гц; следовательно, период. Т равен 1 с. На рис. 2.5, б частота и фаза те же, но амплитуда уменьшена в два раза. На рис. 2.5, в частота f =2, что эквивалентно периоду Т=1/2. Наконец, на рис. 2.5, г показано влияние сдвига фазы на р/4 радиан, что составляет 45є (2р радиан = 360є = 1 период).

Рис. 2.4. Периодические сигналы

По горизонтальной оси на рис 2.5 отложено время; на самом же графике показана зависимость от времени величины сигнала в данной точке пространства. Подобные графики (с точностью до изменения масштаба) можно получить, если отложить на горизонтальной оси расстояние. В этом случае на графике будет изображена интенсивность сигнала в данный момент времени в зависимости от расстояния. Например, при передаче синусоидальной волны (если рассмотреть электромагнитную волну на некотором расстоянии от антенны или звук на некотором расстоянии от громкоговорителя) в отдельный момент времени интенсивность сигнала изменяется по гармоническому закону как функция расстояния от источника.

Рис. 2.5. s(t)=A sin (2рf t + ц)

Существует простое соотношение между двумя синусоидальными сигналами, один из которых изменяется во времени, а другой ? в пространстве. Определим длину волны сигнала л, как расстояние, занимаемое одним периодом или, иными словами, как расстояние между двумя точками равных фаз двух последовательных циклов. Предположим, что сигнал распространяется со скоростью н. Тогда длина волны связана с периодом следующим соотношением: л = нТ, что равносильно лf = н. Особое значение для нашего изложения имеет случай н = c, где c - Скорость света в вакууме, приблизительно равная

2.1.1 Основные понятия частотного представления сигнала

Реальный электромагнитный сигнал составлен из многих частот. Рассмотрим, например, сигнал, показанный на рис. 2.6, в.

S(t)=(4/р)Ч[sin(2рft)+(1/3)sin(2р(3f)t)] (2.3)

Он состоит из простых синусоидальных сигналов с частотами f и 3f, показанных соответственно на рис. 2.6, а и б. Отметим два интересных момента, связанных с этим рисунком.

Рис. 2.6. Сложение частотных составляющих (Т = 1/f)

Вторая частота кратна первой. Если все частотные составляющие сигнала кратны одной частоте, то последняя называется собственной частотой.

Период суммарного сигнала равен периоду сигнала собственной частоты. Период составляющей sin (2рѓt) равен Т = 1/ѓ, и, как можно увидеть на рис. 2.6, в, период сигнала s(t) также равен Т.

Любой сигнал складывается из синусоидальных составляющих с разными частотами. Сложив вместе достаточное количество синусоидальных сигналов с соответствующими амплитудами, частотами и фазами, можно получить электромагнитный сигнал любой формы. Аналогично любой электромагнитный сигнал рассматривается как совокупность периодических аналоговых (синусоидальных) сигналов с разными амплитудами, частотами и фазами. Далее по ходу изложения мы увидим, как важно иметь возможность рассмотреть сигнал не как процесс изменения во времени (временное представление), а как функцию частоты (частотное представление).

Спектром сигнала называется область частот, составляющих данный сигнал. Для сигнала, приведенного на рис. 2.6, в, спектр простирается от ѓ до 3ѓ. Абсолютной шириной полосы сигнала называется ширина его спектра. В рассматриваемом случае (рис. 2.6. в) ширина полосы составляет 3ѓ-ѓ=2ѓ. Многие сигналы имеют бесконечную ширину полосы, но большая часть их энергии сосредоточена в относительно узкой полосе частот, называемой эффективной полосой, или просто полосой.

2.1.2 Связь между скоростью передачи данных и шириной полосы

Существует прямая связь между информационной емкостью сигнала и шириной его полосы: чем шире полоса, тем больше информации может нести сигнал. Рассмотрим очень простой пример, воспользовавшись сигналом, показанным на рис. 2.5, б. Предположим, что положительный импульс представляет двоичный нуль, а отрицательный - двоичную единицу. Следовательно, данный сигнал представляет двоичный поток 0101…. Длительность каждого импульса равна 1/2f; следовательно, скорость передачи данных составляет 2f битов в секунду (бит/с). При сложении синусоид с частотами f и 3f ( рис2.6.) мы получаем сигнал, форма которого начинает походит на форму исходного прямоугольного сигнала. Продолжим этот процесс и добавим синусоидальный сигнал с частотой 5f (результат показан на рис. 2.7, а), а затем сигнал с частотой 7f (рис. 2.7, б). Продолжая добавлять составляющие с нечетными частотами, кратными f, и надлежащим образом выбранными амплитудами, мы увидим, что результирующий сигнал все больше и больше приближается к прямоугольной форме.

Действительно, можно показать, что составляющие прямоугольного сигнала с амплитудами А и -А можно выразить следующим образом:

2.4.

Этот сигнал содержит бесконечное число частотных составляющих и, следовательно, имеет бесконечную ширину полосы. Впрочем, максимальная амплитуда k-й составляющей с частотой kf равна всего лишь 1/k, поэтому большая часть энергии данного сигнала приходится на несколько первых составляющих. Что произойдет, если мы ограничим полосу только первыми тремя частотными составляющими? Ответ мы уже видели, он приведен на рис. 2.7, а. Здесь форма результирующего сигнала достаточно близка к форме исходного прямоугольного сигнала.

Рис. 2.7. Частотные составляющие прямоугольного сигнала (Т=1f)

Рисунки 2.6 и 2.7 можно использовать для иллюстрации связи между скоростью передачи данных и шириной полосы. Предположим, что мы используем цифровую систему, способную передавать сигналы с шириной полосы 4 МГц. Попытаемся передать последовательность чередующихся нулей и единиц в виде сигнала прямоугольной формы, приведенного на рис. 2.7, в.

В общем случае любой цифровой сигнал имеет бесконечную ширину полосы. Если мы попытаемся передать этот сигнал через какую-то среду, передающая система наложит ограничения на ширину полосы, которую можно передать. Более того, для каждой конкретной среды справедливо следующее: чем больше передаваемая полоса, тем больше стоимость передачи. Поэтому, с одной стороны, по экономическим и практическим соображениям следует аппроксимировать цифровую информацию сигналом с ограниченной шириной полосы. С другой стороны, при ограничении ширины полосы возникают искажения, затрудняющие интерпретацию принимаемого сигнала. Чем больше ограничена возможность возникновения ошибок при приеме.