3. Расчет параметров схемы

В связи с вышеизложенными фактами, структурную схему (рисунок 2.1) можно конкретизировать и дополнить (рисунок 2.2).

Рисунок 2.6 – Дополненная структурная схема

Остановимся поподробнее на блоке ПрУ (преобразователь уровня)

Данный блок необходим, для того чтобы преобразовать выходной сигнал микросхемы DDS (0 – 660 мВ) во входной сигнал ЦАПа (± 10 В).

Блок решает 2 задачи:

• преобразование однополярного сигнала (0 – 660 мВ) в двуполярный сигнал (± 330 мВ);

• усиление сигнала ± 330 мВ до уровня ± 10 В.

Для решения данных задач подходит схема с использованием разделительного конденсатора и операционного усилителя (рисунок 2.3).

В инвертирующем усилителе зависимость выходного сигнала от входного описывается следующей формулой:

Положим, что R2 = 100кОм, тогда, с учетом формулы 2.1 получим

Рисунок 2.7 – Преобразователь уровня

Конденсатор C1 и резистор R1 образуют ФВЧ, его параметры описываются выражением:

Где:

– частота среза фильтра, Гц

R – сопротивление резистора, Ом

С – емкость конденсатора, Ф

Исходя из выражения 2.2 и технического задания получаем емкость конденсатора C1:

Для работы генератора без искажений на всем промежутке рабочих частот необходимо, чтобы АЧХ была константна. Для достижения этого, обычно в практических целях номинал элементов, рассчитанный по срезу увеличивают в 10 – 20 раз. Соответственно, C₁ примем равным 45мкФ.

Рассчитанные значения проверим с помощью симулятора LTspice [CITATION LTspice \l 1049 ].

После построения схемы (рисунок 2.4) с помощью временного анализа можем убедиться в том, что мы получаем правильную зависимость выходного сигнала от входного (рисунок 2.5 и 2.6).

Рисунок 2.8 – Схема в редакторе LTspice

Рисунок 2.9 – Входной сигнал

С помощью частотного анализа схемы (рисунок 2.7) убедимся в правильности работы блока на всем диапазоне рабочих частот. По графику видно, что АЧХ практически не изменяется на промежутке от 10Гц до 100кГц, чего мы и добивались. Также можно заметить, что ФЧХ на промежутке изменяется практически линейно, значит схема не вносит значительных фазовых искажений.

Рисунок 2.10 – Выходной сигнал

Рисунок 2.11 – АЧХ (сплошная линия) и ФЧХ (пунктирная линия) выходного сигнала

4. Разработка схемы электрической принципиальной

В качестве САПР для разработки электрической принципиальной схемы был выбран Altium Designer.

Основные элементы схемы были оговорены ранее, и показаны на структурной схеме (рисунок 2.2). Кроме них, важными элементами схемы являются:

• входной разъем (USB type B);

• выходной разъем (BNC);

• разъем для прошивки управляющего устройства (JTAG);

• кварцевый генератор;

• стабилизаторы питания;

• повышающий DC/DC преобразователь для выходного сигнала;

• блокировочные конденсаторы.

На основе этих элементов составлена схема принципиальная электрическая (приложение А). Перечень элементов представлен в приложении Б.

5. Система команд

В процессе работы устройство должно понимать, что от него хочет пользователь. Следовательно, каждому действию должна сопоставляться понятная для устройства команда.

Перечислим все возможные действия, для которых необходимо выделить отдельную команду:

• изменение частоты выходного сигнала;

• изменение формы выходного сигнала;

• изменение амплитуды выходного сигнала;

• запись калибровочных данных;

• чтение калибровочных данных.

Данное количество команд минимально может кодироваться с использованием 3-х бит информации.

При этом, следом за командой следуют данные (амплитуда, частота или калибровочные данные), адрес (для записи и чтения калибровочных данных) или код формы сигнала.

Определим формат этих данных.

Для изменения амплитуды в микросхеме AD5543 используется 16 – битный регистр. Это так же определяет формат калибровочных данных – достаточно использовать 32 – битный тип float. Количество калибровочных данных, с учетом линейного характера изменения амплитуды, не превышает 2-х значений на каждую форму сигнала, следовательно, для кодирования адреса необходимо использование трех бит информации.

Частота записывается в 28 – битный регистр.

Для кодирования формы сигнала (3 различных формы) достаточно использовать 2 бита.

Исходя из вышеперечисленного можем определить формат команды, наиболее всего подходящий для всех ситуаций, а также подходящий для пересылки пакетами размером в 1 байт (рисунок 2.8).

Код команды			Адрес или код формы сигнала		Данные (где это необходимо)
39	36	35		32	31							0

Рисунок 2.12 – Формат команды

Так как для кодирования действия требуется 3 бита, старший бит в коде команды не используется. Зададим ему единичное значение для всех команд. Кодированные команды указаны в таблице 2.2. Все коды приведены в шестнадцатеричной системе счисления, при описании команд использованы заполнители: r – адрес калибровочных данных, p – форма сигнала, d – данные.

Таблица 2.2 – Система команд

Действие	Команда, hex	Пояснения
Изменение частоты выходного сигнала	800ddddddd	28 бит данных следуют за ведущими нулями после байта команды
Изменение формы выходного сигнала	9p	Данные в команде не используются p = 0 - Синус p = 1 - Треугольник p = 2 – Меандр
Изменение амплитуды выходного сигнала	A00000dddd	16 бит данных следуют за ведущими нулями после байта команды
Запись калибровочных данных	Brdddddddd	r (0 - 14) – Адреса для калибровочных данных
Чтение калибровочных данных	Cr (запрос) Crdddddddd (ответ)	Значения параметра r см. в строке Запись калибровочных данных. В ответ на запрос устройство отправляет ответ в том же формате, но с данными