генераторы сигналов специальной формы

Генераторы сигналов специальной формы

Генераторы сигналов специальной формы (тип Г6 по ГОСТ 15094-69) представляют собой источники одиночных или периодических сигналов, форма которых отлична от прямоугольной. Наиболее распространенными формами сигналов являются пилообразная, треугольная, трапецеидальная, колоколообразная и т. п. Такие сигналы необходимы для моделирования входных воздействий при настройке и испытаниях каналов связи, медицинской, геофизической и измерительной аппаратуры.

К настоящему времени еще не разработаны стандарты, классифицирующие эти приборы и определяющие требования к их основным параметрам. Общий подход к нормированию параметров таких генераторов, очевидно, должен быть аналогичен подходу к нормированию параметров всех измерительных генераторов: необходимо указать форму сигнала, параметры, характеризующие форму, в том числе и параметры искажений, пределы регулировки параметров, пределы допускаемых погрешностей установки параметров, нестабильность параметров и т. д.

Для создания достаточно простых и дешевых генераторов сигналов специальной формы широко применяют схемы на основе интеграторов с нелинейной обратной связью через какой-либо пороговый элемент с гистерезисом (например, триггер Шмитта). Структурная схема такого генератора, называемого функциональным, представлена на рис. 1. В процессе интегрирования постоянного напряжения, присутствующего на выходе триггера Шмитта, интегратор формирует линейно изменяющееся напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера, триггер переключается, его выходное напряжение меняет знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не станет равным нижнему порогу срабатывания триггера. Далее этот процесс периодически повторяется и на выходе схемы формируется симметричное напряжение треугольной формы с одинаковым временем нарастания и спада. Размах этого напряжения и его стабильность определяются в основном установкой и соответственно стабильностью порогов срабатывания триггера. При использовании прецизионных схем нестабильность размаха сигнала может быть снижена до 0,1% за несколько часов работы.

Рис. 1

Частоту формируемого напряжения можно перестраивать в широком диапазоне частот от инфранизких до несколько десятков килогерц, изменяя постоянную времени интегратора. Перестройку частоты можно осуществлять также электрическим путем, регулируя напряжение на входе интегратора, коммутируемое триггером Шмитта. Усложняя схему регулировки этого напряжения, можно добиться формирования несимметричного треугольного (пилообразного) напряжения с регулируемым временем нарастания и спада. На основе полученного треугольного напряжения можно сформировать напряжения трапецеидальной, колоколообразной, синусоидальной формы. Для этого используют нелинейное преобразование сигнала треугольной формы с помощью диодно-резистивных схем, обеспечивающих кусочно-линейную аппроксимацию необходимой характеристики преобразования. Такие схемы достаточно просты и дешевы, однако обеспечивают ограниченный набор формируемых сигналов, критичны в настройке, имеют невысокую точность и стабильность.

Для формирования сигналов произвольной формы в последнее время начинают применяться функциональные генераторы, работающие на основе кусочно-линейного синтеза непосредственно самого сигнала (а не характеристики преобразования треугольного сигнала). В основе таких устройств лежит генератор линейно изменяющегося напряжения, длительностью и амплитудой которого можно управлять. Очевидно, что из серии таких элементарных линейно изменяющихся сигналов, каждый из которых начинается там, где окончился предыдущий, можно сформировать сигнал произвольного вида.

Обычно работой такого генератора управляет микропроцессор, в память которого вводятся параметры (длительность и амплитуда) каждого элементарного сигнала из заранее заданного набора дискретных значений.

Для того чтобы получить исходное значение сигнала, в конце каждого цикла формируется специальный сигнал возврата к началу.

Погрешность формирования сигнала, связанная с его кусочнолинейной аппроксимацией, определяется общим числом используемых элементарных сигналов и дискретностью установки их параметров. Кардинальным решением задачи формирования сигналов произвольной формы с широкими пределами регулировки и высокой стабильностью параметров является создание генераторов на основе цифровых запоминающих устройств (ЗУ) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Структурная схема такого генератора представлена на рис. 2. Тактовая частота работы устройства задается опорным кварцевым генератором, обеспечивающим высокую стабильность частотно-временных параметров сигнала.

Рис. 2

Сформированные в формирователе адреса кодовые сигналы подаются на запоминающее устройство, в котором записаны коды дискретных отсчетов заданного сигнала. В результате последовательного опроса ячеек ЗУ на его выходе появляется последовательность цифровых сигналов, которая с помощью цифро-аналогового преобразователя преобразуется в необходимый аналоговый сигнал заданной формы. Таким способом можно сформировать сигнал практически любой формы, произвольно менять начальную фазу сигнала, «останавливать» в определенные моменты времени формирование сигнала, запоминать значение сигнала на необходимый интервал времени. Со стороны нижних частот диапазон такого генератора практически ничем не ограничен. Максимальная частота формируемого сигнала определяется быстродействием ЗУ и ЦАП. Характеристики точности такого генератора по выходному напряжению определяются объемом памяти и разрядностью используемого ЗУ, а также характеристиками ЦАП.

Генератор рассмотренного типа представляет собой, по сути дела, специализированную микро-ЭВМ, работающую по жесткой программе воспроизведения определенного набора записанных в ЗУ сигналов. Основной тенденцией дальнейшего развития таких цифровых измерительных генераторов сигналов произвольной формы является использование программируемых микро-ЭВМ на основе микропроцессоров, позволяющих неограниченно расширять набор синтезируемых сигналов, проводить необходимые операции коррекции параметров сигнала и сохранения их временной стабильности в реальном масштабе времени.

Источник

Генератор сигналов специальной формы

Одним из направлений деятельности исследовательского центра «Современные электронные элементы и технологии» (СЭЭТ) Дагестанского государственного технического университета (ДГТУ) является разработка контрольно-измерительного и специализированного оборудования, используемого в учебном процессе и научных исследованиях. В статье рассказывается о новой разработке центра — генераторе сигналов специальной формы.

Среди измерительных приборов одной из наиболее представительных является группа разнообразных генераторов — устройств, предназначенных для вырабатывания испытательных электрических сигналов с различными амплитудными и временными параметрами. Наиболее универсальными приборами из этой группы представляются генераторы сигналов специальной формы.
Изготовлением генераторов сигналов специальной формы занимаются как отечественные производители, так и зарубежные компании, в частности Agilent Technologies, Rohde@Schwarz и другие. Некоторые генераторы содержат также источники шумовых сигналов, как правило, псевдослучайной последовательности, что позволяет проводить исследования в области цифровой фильтрации. В целом эти генераторы характеризуются очень высокими качественными показателями, однако их стоимость, достигающая в ряде случаев десятки тысяч долларов, не способствует их широкому использованию. К тому же, далеко не во всех проектах и исследованиях требуется наличие всех форм имеющихся электрических колебаний, расширенный частотный диапазон, а многие сервисные функции генераторов явно излишни.
Основываясь на этих соображениях, в исследовательском центре «Современные электронные элементы и технологии» ДГТУ был разработан и изготовлен генератор сигналов специальной формы (см. рис. 1).

В основу разработки генератора для применения его в реальных проектах, связанных в том числе с цифровой фильтрацией сигналов, были положены следующие требования:
– прибор должен генерировать электрические колебания синусоидальной, прямоугольной со скважностью равной двум и треугольной форм в диапазоне частот 10 Гц…150 кГц и амплитудой выходных сигналов не менее 1 В;
– необходимо предусмотреть плавную регулировку частоты следования и амплитуды сигналов на выходе в пределах каждого из поддиапазонов;
– необходимо обеспечить высокую стабильность параметров выходных сигналов в установившемся режиме функционирования;
– ввести в состав прибора генератор шумовых сигналов случайной последовательности в диапазоне 20 Гц…15 МГц и с размахом выходного напряжения (от пика до пика) до 1 В;
– редусмотреть возможность смешивания шумового сигнала с каждым из основных электрических колебаний.
Генерацию сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной форм можно осуществить различными способами. Один из них предполагает формирование прямоугольного колебания с требуемыми параметрами и последующим преобразованием его в треугольное, из которого в дальнейшем получают и синусоидальные колебания. Возможен и другой, более простой по реализации, вариант преобразований, подразумевающий генерацию в качестве исходного сигнала синусоидального колебания, из которого последовательно можно получить прямоугольное и далее треугольное колебание. Этот вариант и применяется в предлагаемом генераторе.
В общем случае под шумовым сигналом понимается переменное напряжение или мощность, частотные и амплитудные параметры которых носят случайный характер. Первичными источниками шума (задающими генераторами) могут служить вакуумные и полупроводниковые шумовые диоды, фотоэлектронные умножители, газоразрядные приборы, а также лавинно-пролетные диоды, стабилитроны, туннельные диоды и ряд других.
Выбор полупроводниковых стабилитронов для применения в разработке в качестве задающего генератора неслучаен. Исследовались шумовые характеристики различных источников, в том числе и стабилитронов. В последнем случае для экспериментов отбирались многочисленные типы элементов с различными механизмами электрического пробоя. Эксперименты показали целесообразность использования стабилитронов с лавинным характером пробоя типа 2С210Ж, способных генерировать шумовые сигналы в диапазоне частот 10 Гц…18 МГц со средним размахом выходного напряжения порядка 20 мВ при величинах обратных токов 120…140 мкА. К тому же, применение стабилитрона в качестве источника шума позволяет минимизировать аппаратные и энергетические затраты при реализации генератора шума.
Обобщенная структурная схема генератора сигналов специальной формы и генератора шумовых сигналов приведена на рисунке 2. Как следует из схемы, прибор состоит из последовательно включенных генераторов синусоидальных, прямоугольных и треугольных колебаний, коммутатора этих сигналов, блоков выбора поддиапазонов и сигнала, частотомера и блока индикации.

В свою очередь генератор шумовых сигналов содержит источник шума, выход которого подключен к входу управляемого усилителя, предназначенного для обеспечения требуемого размаха напряжения на выходе устройства. Для удобства использования генератора при проведении экспериментальных работ и исследований весь диапазон генерируемых шумовых сигналов был разнесен на пять поддиапазонов, выделение которых производилось блоком фильтров. Сигналы требуемого диапазона через управляемый коммутатор подавались на вход буферного усилителя и далее, при необходимости, на второй вход смесителя, в то время как на его первый вход было подано одно из основных колебаний от соответствующего узла генератора сигналов специальной формы.
Электрическая схема генераторов синусоидальных, прямоугольных колебаний и блока выбора поддиапазона приведена на рисунке 3. Генератор синусоидальных колебаний выполнен на основе операционного усилителя DA4 типа AD8031, в цепи положительной обратной связи которого включен мост Вина-Робинсона [1]. Весь диапазон генерируемых колебаний разнесен на четыре поддиапазона, а плавная регулировка частоты производится сдвоенным потенциометром (в схеме обозначен через R15.1 и R15.2). Границы каждого диапазона определяются конденсаторами С2…С5 и С7…С10, подключаемыми к соответствующим цепям моста посредством электронного коммутатора на элементах DA1 и DA2 типа ADG513. Работой коммутатора управляет блок выбора поддиапазона, реализованный на элементах DD1 и DD2 типа CD4013.

Стабилизация амплитуды колебаний на выходе генератора обеспечивается элементами автоматической регулировки усиления в цепи обратной связи операционного усилителя. Ввиду отличия параметров цепи автоматической регулировки усиления на верхних частотах в схеме дополнительно используется регулировочный элемент R22, который на диапазоне 150 кГц подключается коммутатором DA3.
Буферизацию выхода генератора синусоидальных колебаний и перенос этих сигналов в область положительной полярности напряжения выполняет операционный усилитель DA5.1 типа AD8032. С выхода буферного усилителя синусоидальные колебания поступают на вход формирователя прямоугольных сигналов, выполненного по типовой схеме триггера Шмидта на операционном усилителе DA5.2 типа AD8032.
Электрическая схема генератора треугольных колебаний (интегратора) приведена на рисунке 4. Интегратор непосредственно реализован на операционном усилителе DA3.1 типа AD8066, резисторе R13 и конденсаторах С11…С14. Каждый конденсатор соответствует одному из четырех поддиапазонов и включается в цепь обратной связи усилителя посредством коммутатора DA4 (ADG513), управляемого блоком выбора поддиапазонов. Поскольку постоянная времени интегрирования нормализована для нижней частоты каждого из поддиапазонов, с увеличением частоты следования сигналов прямоугольной формы, поступающих на вход интегратора, амплитуда сформированного треугольного колебания на его выходе будет уменьшаться. Нейтрализация этого эффекта производится путем введения в схему системы автоматического регулирования амплитуды выходных колебаний интегратора, выполненной на элементах DA3.2, DA5, DA6, DA8 и DA9.

Основой этой части схемы является элемент DA8, представляющий собой усилитель с регулируемым по напряжению коэффициентом усиления типа AD605, на вход которого через буферный усилитель DA3.2 подается треугольное колебание с интегратора. Сигнал с выхода усилителя поступает на вход двухполупериодного выпрямителя на элементах DA6.1 и DA6.2, и после выпрямления и последующего инвертирования на элементе DA9(AD8065) напряжение, величина которого определяет коэффициент усиления усилителя DA8, подается на его входы управления. В результате уменьшение амплитуды сигнала на выходе интегратора компенсируется увеличением коэффициента усиления и наоборот.
Устранение дрейфа выходного напряжения в интеграторе производится путем подбора входного напряжения сдвига операционного усилителя DA3.1 на каждом из поддиапазонов с помощью соответствующих делителей напряжения R1…R12 и коммутатора DA1. Наряду с этим производится обнуление интегратора по завершении каждого цикла интегрирования через канал коммутатора DA7 типа ADG802. Процессом коммутации канала управляет одновибратор DD1 типа 74ALS121, вырабатывающий на каждом из поддиапазонов сигналы разных длительностей. Длительности этих сигналов обусловлены параметрами времязадающей цепи, состоящей из внутреннего резистора и одного из конденсаторов С7…С10, подключаемого к одновибратору коммутатором DA2.
Электрическая схема блока выбора сигнала и смесителя показана на рисунке 5. Смеситель колебаний реализован на операционном усилителе DA4.1 типа AD8032, на инвертирующий вход которого подается один из сигналов синусоидальной, прямоугольной или треугольной форм. Вид подаваемого сигнала зависит от состояния управляющих сигналов, поступающих на коммутатор DA1 от блока выбора сигнала, выполненного на элементах DD1 типа 74ALS00 и DD2, DD3 типа CD4013. При необходимости на второй неинвертирующий вход смесителя через коммутатор DA2 подается сигнал с выхода генератора шума. Элементы DA3 (AD8029) и DA4.2 (AD8032) выполняют функцию буферных усилителей. Потенциометры R21 и R26 позволяют регулировать амплитуду сигналов на соответствующих выходах.
Электрическая схема блока фильтров, коммутатора и буферного усилителя представлена на рисунке 6. Выделение требуемого частотного поддиапазона шумового сигнала обеспечивают активные фильтры низких частот, зарекомендовавшие себя в предыдущих проектах [2]. За основу выбраны фильтры Баттерворта пятого порядка, отличающиеся плоской характеристикой в пределах полосы пропускания, а порядок, определяющий крутизну среза фильтра, достаточен для данного применения.

Весь частотный диапазон шумового сигнала разделен на пять поддиапазонов (1 МГц, 2 МГц, 4 МГц, 8 МГц и 16 МГц). И если последний поддиапазон 16 МГц включает полный спектр колебаний, генерируемых источником шума, то полоса остальных определяется фильтрами на операционных усилителях DA4 — DA7 типа AD8066. Выходные сигналы с каждого фильтра подаются на входы буферных усилителей DA9—DA12, одновременно осуществляющих перенос сигналов в область положительной полярности напряжений. В свою очередь выходы буферных усилителей подключаются к аналоговым коммутаторам
DA13…DA17 типа ADG719, каждый из которых может быть переведен в активное (замкнутое) состояние высоким уровнем напряжения, вырабатываемого блоком управления, и подводимым на управляющие входы коммутаторов. С объединенных выходов коммутаторов шумовые сигналы выбранного диапазона поступают на вход оконечного усилителя и далее подаются на смеситель.
На рисунке 7 приведена электрическая схема генератора шума. Источником шума является стабилитрон VD1 типа 2С210Ж с номинальным напряжением стабилизации 10 В. Поскольку режим генерации шумов стабилитроном наступает при обратном напряжении смещения порядка 9 В, потребовалось ввести в схему дополнительный источник стабильного напряжения, представленного элементом DA1 типа 78L12, а с помощью резистора R1 и потенциометра R2 можно устанавливать требуемую величину обратного тока. Шумовые сигналы с выхода источника поступают на вход операционного усилителя DA4 типа AD4851, включенного по неинвертирующий схеме. Выполняя функции предварительного усилителя с коэффициентом усиления, равным 2, DA4 одновременно обеспечивает и согласование источника с низкоомным входным сопротивлением усилителя с регулируемым по напряжению коэффициентом усиления DA6 типа AD603. Изменение коэффициента усиления этого усилителя, а следовательно, и размаха шумовой составляющей его выходного напряжения, обеспечивается цифровым потенциометром DA7 типа AD5228-10, ко входу которого подведено напряжение 2,5 В от прецизионного источника опорного напряжения DA5 типа ADR420. Таким образом, замыкание контакта S1 влечет за собой уменьшение коэффициента усиления, а замыкание контакта S2 — его увеличение.

Частотомер реализован на основе микроконтроллера типа MCF51JM128, с типовой, не имеющей особенностей, схемой включения. Текущая информация о форме генерируемого сигнала, его частоте и выбранном диапазоне шумового сигнала, отображается на двухстрочном индикаторе типа FDCC1602E.
Генератор сигналов специальной формы представляет собой завершенное изделие размерами 290×200×90 (мм). Масса генератора не превышает 2,6 кг.
Авторы выражают глубокую признательность Марии Сапожниковой, менеджеру по работе с ключевыми заказчиками представительства Analog Devices Inc. в России, стоявшей у истоков создания исследовательского центра, за поставленные для проекта комплекты компонентов.

Источник

Генераторы cигналов специальной формы

Генератор AКИП-3404 Arb-Студия

показать ещё

Генератор АКИП-3421 (1М)

Узнать о поступлении товара

Внимание! Отсутствие ошибок и опечаток не гарантируется. В технические характеристики средств измерений неутвержденного типа производителем могут быть внесены изменения без предварительного уведомления. Соответствие важных параметров требует уточнения. Полные технические характеристики предоставляются по отдельному запросу. Нашли ошибку? Выделите мышкой и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Генераторы сигналов специальной формы

Согласно ГОСТу генератором сигналов специальной формы считается источник сигналов, форма сигналов которых отлична от прямоугольной. Наиболее распространенными формами сигналов являются – пилообразная, треугольная, трапециидальная и колоколообразная. В настоящее время нет отдельных ГОСТов, которые определили бы требования к нормированию их основных параметров, поэтому их нормируют также, как импульсные генераторы, т.е. указывают форму сигнала, параметры, характеризующие форму сигналов, пределы регулировки параметров сигнала, пределы допускаемых погрешностей установки параметров сигналов и их нестабильность.

Структурная схема. Работа схемы.

Триггер Шмидта (ТрШм) имеет два порога сравнения. Переход через каждый порог меняет напряжение на его выходе, т.е. имеем определенный гистерезис.

Исходное состояние. На выходе ТрШм имеем постоянное напряжение. Интегратор под действием этого напряжения формирует линейно-измеряющее напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания ТрШм, то он переключается. Напряжение на его выходе меняет знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет значения равного второму порогу срабатывания триггера. Далее этот процесс периодически повторяется, и на выходе интегратора формируется напряжение треугольной формы с одинаковым временем нарастания и спада. Частоту формируемого напряжения можно перестраивать в очень широких пределах: от долей Гц до нескольких десятков кГц. Перестройка частоты осуществляется делением напряжения на входе интегратора с помощью различных делителей. На основе полученных треугольных напряжений в блоках формирования (БФ) формируются все необходимые формы сигналов. Блок формирования представляет собой аппроксиматор, для которого исходное треугольное напряжение является развертывающим.

33. Цифровые измерительные генераторы сигналов произвольной формы.

Тактовая частота работы устройства задается генератором опорной частоты (ГОЧ). По каждому тактовому импульсу из формирователя адреса (ФА) вытаскивается код адреса, по которому в запоминающем устройстве (ЗУ) находится отсчет формируемого сигнала. Этот отсчет из ЗУ вытаскивается и передается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП переводит код отсчета в значение напряжения. В результате последовательного опроса ЗУ на его выходе появляется последовательность цифровых сигналов, которые с помощью ЦАП преобразуются в аналоговый сигнал заданной формой. Таким образом можно сформировать сигнал практически любой формы. Со стороны нижних частот диапазон такого генератора ничем не ограничен. Со стороны верхних частот он ограничен быстродействием ЗУ и ЦАП. Точность такого генератора по выходному напряжению определяется объемом памяти и разрядностью используемого ЗУ.

Генератор рассмотренного типа представляет собой специализируемую микро-ЭВМ, работающей по жесткой программе воспроизведения набора записанных в ЗУ сигналов.

Источник