СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………….……………………………………...….
Обзорная часть………………
Генераторы……………………..
Генераторы сигналов произвольной формы ……………..
Описание аналогов…..
Разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза ……………………...………………..……
2.1. Описание структурной схемы устройства………………………...
Описание элементной базы…………………. …………………..…......
Построение схемы электрической принципиальной….........................
Разработка печатной платы устройства………………………………..
Выбор среды разработки ПП………………………………….……
5.2. Выбор технологии производства ПП или описание произ ПП…...
5.3. Конструкторский расчет ПП……………………………………….
Расчетная часть…………………………………………………………..
Разработка программного обеспечение для МК.....................................
7.1. Описание среды разработки…………………………………………
7.2. Разработка алгоритма программы…………………………………..
Экономическая часть…………………………………………………….
8.1 Расчет себестоимости производства проектируемого устройства…
8.2. Расчет оптовой цены изделия………………………………………..
8.3. Расчет экономической эффективности……………………………..
Вопросы охраны труда и экологии……………………………………..
Заключение……………………………………………………………….
Список литературы……………………………………………………….
Приложение А – Схема электрическая структурная
Приложение Б – Схема электрическая принципиальная системы управления преобразователем частоты
Приложение В – Чертеж печатной платы
Приложение Г – Алгоритм программы
Приложение Д –
ВВЕДЕНИЕ
Развитие цифровых технологий, в частности высокоскоростных цифро-аналоговых преобразователей ЦАП, приводит к вытеснению из производства аналоговых низкочастотных генераторов. Им на замену приходят цифровые генераторы на базе ЦАП. Применение ЦАП дает значительные преимущества особенно для формирования сигналов произвольной формы.
Они обладают рядом достоинств:
Универсальность, поскольку они позволяют генерировать аналоговый сигнал с произвольной, заданной пользователем, формой.
Отсутствие ограничения по минимальной частоте
Высокая стабильность параметров выходного сигнала
Цифровые генераторы обладают универсальностью и точностью. Поэтому они получают все большое распространение, как узлы электронной аппаратуры, так и самостоятельные устройства, применяемые при измерении и налаживании систем, работающих со сложными сигналами.
Описываемый в дипломном проекте генератор содержит микроконтроллер, он использован для управления специализированной микросхемой — цифро-аналоговым преобразователем MCP4921. Применение этой микросхемы позволило обеспечить генерацию сигнала с низким уровнем искажения и высокой стабильностью, а также расширить диапазон генерируемых частот от долей герца до нескольких десятков МГц, в пределах которого можно получить любое значение частоты с точностью 0,1 Гц.
Практическая значимость дипломного проекта.
Целью дипломного проекта является разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе цифро-аналогового преобразователя.
Структура работы.
В первой главе рассмотрена теоретическая сторона проекта.
Во второй главе работы описана структурная схема дипломного проекта.
В третьей главе дипломного проекта приведена элементная база устройства.
Четвертая глава посвящена построению схемы электрической принципиальной.
В пятой главе рассмотрена среда разработки ПП и выбор технологии производства ПП, а также проведен конструкторский расчет ПП.
В шестой главе дипломного проекта проведен расчет электрической части устройства, надежности.
В седьмой главе описана среда разработки программного обеспечения для микроконтроллера и также приведен ее алгоритм.
Восьмая глава посвящена экономическому анализу проекта.
В девятой главе рассмотрены вопросы охраны труда и экологии.
В заключении приведены основные результаты и выводы дипломного проекта.
1. Обзорная часть
Описание определения генератора сигналов
В радиотехнике и электронике генератор используется для получения сигнала с заданными параметрами статических и энергетических показателей, а также – применяется для преобразования сигналов различной природы (электрический, акустический или другой) и измерения их качественных характеристик (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.).
Стандартный генератор сигналов состоит из двух составных частей – источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра). Источник производит сигнал, тогда как формирователь изменяет его, с целью получения заданных параметров: усиливает, уменьшает, меняет частоту.
Генераторы распределяются по следующим категориям:
1. Генераторы синусоидальных сигналов.
Вплоть до 60-х годов ушедшего XX века генераторы синусоидального напряжения строились почти исключительно первых трех типов. Но затем развитие микроэлектроники и появление высококачественных аналоговых компонентов (прежде всего, интегральных операционных усилителей) привело к широкому распространению функциональных генераторов, составивших основу генераторов четвертого типа. В 70–80-е годы бурное развитие цифровой и вычислительной техники привело к разработке и освоению массового производства генераторов пятого типа, основанных на цифровых методах синусоидальных и многих других (в том числе произвольных) видов сигналов.
Синусоидальные сигналы широко используются для тестирования и отладки самых разнообразных электронных устройств. Это связано с тем, что они являются простейшими, изменяющимися во времени, сигналами, но с постоянными параметрами — амплитудой, частотой и фазой. Изменение этих параметров позволяет осуществлять модуляцию синусоидальных сигналов и использовать их для переноса информации. На этом основаны многочисленные сферы применения синусоидальных сигналов в технике электросвязи и радиотехнике.
Источниками синусоидальных сигналов могут быть струны музыкальных инструментов, камертоны, катушки, вращающиеся в постоянном магнитном поле, и другие устройства.
В измерительной технике применяются несколько основных типов таких источников - генераторов синусоидального напряжения:
1. Низкочастотные RC генераторы.
RC-генераторы используются для генерации сверхнизких и низких частот, а также радиочастот примерно до 2–5 МГц. Как правило, модуляция у таких генераторов не используется — за исключением некоторых моделей с частотой генерируемых сигналов выше 100 кГц.
На рис. 1.1 показана одна из типовых схем RC-генераторов с Г-образной ИЦ, образованной последовательной (R1C1) и параллельной (R2C2) RC -цепями.
Рис. 1.1 - Типичная схема RC - генератора на операционном усилителе
2. Высокочастотные LC генераторы.
На высоких частотах (от 10 кГц до 100 МГц и выше) применяются LC - генераторы на основе высокодобротных LC - контуров.
Наиболее распространенный способ получения высокочастотных синусоидальных колебаний - это применение генератора, стабилизированного LC-контуром, в котором LC-контур, настроенный на определенную частоту, подключен к усилительной схеме, чтобы обеспечить необходимое усиление на его резонансной частоте. Охватывающая схему петля положительной обратной связи применяется для поддержания колебаний на резонансной частоте LC-контура и такая схема будет самозапускающейся.
3.Генераторы с пьезокристаллическими, кварцевыми и электромеханическими резонаторами.
Колебательная система автогенератора вовсе не обязательно должна быть LC - контуром. Возможно применение пьезокерамических фильтров, кварцевых резонаторов и даже камертонов с электромагнитами. На рис. 1.2 показаны две схемы автогенераторов с пьезокерамическими фильтрами, обычно предназначенными для применения в усилителях промежуточной частоты супергетеродинных радиоприемников.
Рис. 1.2 - Автогенераторы на основе пьезокерамических фильтров на частоту 465 кГц (а) и 10,7 МГц (б)
4. Генераторы, формирующие синусоидальные сигналы из треугольных сигналов путем их плавного ограничения.
Аналоговые функциональные генераторы обеспечивают широкий диапазон перестройки по частоте, возможность электронного управления частотой и малое время установки амплитуды при перестройке частоты сигналов. Однако они имеют серьезный недостаток — высокий коэффициент нелинейных искажений. Поэтому полноценную замену RC - генераторов функциональные генераторы не обеспечивают.
5. Генераторы, реализующие цифровые методы синтеза синусоидальных сигналов.
Существует довольно много методов синтеза синусоидальных сигналов цифровыми методами. Основными являются следующие методы:
1. интез сигналов на основе деления/умножения частоты высокостабильного (опорного) генератора с очисткой сигнала путем фильтрации.
2. Прямой цифровой синтез сигналов DDS (Direct Digital Synthesizers) путем опроса памяти, хранящей оцифрованные отсчеты сигнала заданной формы, с преобразованием их в аналоговый сигнал с помощью высокоскоростных цифроаналоговых преобразователей.
Первый способ в настоящее время реализован с помощью целого ряда микросхем синтезаторов частоты. При этом используются как цифровые, так и аналоговые делители и умножители частоты. Как правило, получить достаточно чистый синтезированный сигнал очень трудно. Поэтому широко используются системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ) генератора синусоидальных сигналов под синтезированный сигнал, его гармоники или субгармоники.
2. Генераторы импульсов.
Генераторы импульсов находят очень широкое применение в качестве источников несинусоидальных сигналов. Они необходимы для тестирования и отладки импульсных систем, например радиолокаторов, и цифровых систем и устройств различного назначения.
3. Функциональные генераторы.
Функциональными генераторами принято называть генераторы нескольких функциональных зависимостей (сигналов), например, прямоугольных, треугольных и синусоидальных, формируемых с одной перестраиваемой в достаточно широких пределах частотой. Разнообразие форм сигналов расширяет сферы применения таких генераторов и позволяет использовать их для тестирования, отладки и исследования самой разнообразной электронной аппаратуры.
В отличие от RC - и LC - генераторов функциональные генераторы являются более широкодиапазонными - отношение максимальной частоты генерации к минимальной у них имеет нередко порядок 10 в 5 – 10 в 6 степенях и выше. Наиболее часто функциональные генераторы используются при отладке ВЧ, НЧ и сверхнизкочастотных устройств. В СВЧ диапазоне частот эти устройства не используются, за исключением применения в качестве источников модулирующих сигналов.
Функциональные генераторы делятся на два широких класса:
- Аналоговые функциональные генераторы на основе интегратора аналоговых сигналов в виде прямоугольных импульсов (меандра).
- Цифровые функциональные генераторы на основе дискретных (цифровых) интеграторов.