Генераторы пилообразных импульсов

Генераторы электрических сигналов

 

 

Структурная схема простейшего генератора, изображена на рис. Цепь положительной обратной связи обычно выполняется на пассивных элементах и поэтому имеет потери. Затухание сигнала в цепи обратной связи компенсируется усилением, которое обеспечивает  усилитель У. При включении питания в схеме возникают колебания, обусловленные нестационарными про­­­­цес­сами – зарядом ёмкостей и индуктив­нос­тей, переходными процессами в тран­зисторах или в операционных усилителях (ОУ). Эти колебания поступают на вход усилителя в виде сигнала и, пройдя усилитель, появляются на его выходе в виде сигнала . С выхода усилителя колеба­ния через цепь положительной обратной связи вновь поступают на вход усилителя, поэтому или , где - комплексное значение коэффициента усиления; - коэффициент передачи цепи обратной связи.

Напряжение на входе усилителя, а, следовательно, и на его выходе может иметь конечное значение только при выполнении условия , откуда находим условие возбуждения колебаний .

Условие возникновения колебаний распадается на два условия, которые принято называть условиями баланса амплитуд и фаз:

, где - сдвиг по фазе для усилителя; - сдвиг по фазе для цепи обратной связи.

Выражение называют условием баланса амплитуд, а выражение - условием баланса фаз.

 

Генераторы различаются по форме выходного сигнала: - синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов);  - прямоугольных импульсов (мультивибраторы, тактовые генераторы);

- функциональный генератор прямоугольных, треугольных и синусоидальных и пр. импульсов;

- генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН, ГПН); - генератор шума

Независимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов: в режиме автоколебаний и в режиме запуска внешним сигналом.

 

Генератор  гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Условие баланса фаз выполняется на одной единственной частоте, на которой также выполняется условие баланса амплитуд.

Схемы генераторов, в которых часть выходного сигнала передается в цепь базы через индуктивный или емкостной делитель, называются трехточечными.

Исторически первый LC-генератор был изобретен Мейснером в 1913 году (немецкое общество беспроволочного телефона) и затем усовершенствован Роундом (фирма Маркони). В нём использовалась индуктивная обратная связь. Первые LC-генераторы имели резонансный контур в цепи обратной связи, а в выходную цепь усилителя включалась катушка индуктивности. Эта катушка, с одной стороны, играла роль нагрузки усилителя, а с другой — передавала часть энергии в цепь обратной связи.

 

При подаче напряжения питания в колебательном контуре появятся  колебания с частотой , которые при отсутствии положительной обратной связи должны прекратиться из-за активных потерь энергии в LC-контуре, определяемых величиной r_k  активного сопротивления индуктивной катушки. Появившийся в контуре переменный ток усиливается транзистором. Эти колебания через катушку L_K, индуктивно связанную с L_Б, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно нарастает до определенной величины, так как транзистор представляет собой ограничивающее устройство, не позволяющее коллекторному току возрастать бесконечно.

В LC-генераторе, выполненном по индуктивной трехточечной схеме (рис. а), резонансный контур (селективный элемент) образован включенными последовательно катушками L1, L2 и подключенным параллельно им конденсатором С1. Этот контур включен в цепь коллектора транзистора VT1. Сигнал обратной связи снимается с точки соединения катушек L1, L2 и подается в цепь эмиттера, который является входным электродом активного элемента. Таким образом, селективный элемент оказывается подключенным к транзистору в трех точках - трехточка Хартли.

 

 

Рис.12. а)                                                                     б)

Генератор колебаний можно создать и с использованием операционного усилителя. Одна из схем такого генератора (рис.б) содержит усилитель, цепь отрицательной обратной связи — R1, R2, цепь частотно-избирательной положительной обратной связи — R4 и параллельный LC- колебательный контур. Цепь положительной обратной связи имеет максимум коэффициента передачи на резонансной частоте ω₀ = sqrt(LC)^-1

 

Кварцевые генераторы получили свое название от кристалла кварца, который используется в генераторе вместо колебательного кон­тура. Добротность колебательного контура на кварце и его стабильность настоль­ко велики, что достичь таких значений в схемах генераторов LC- или RС-типа просто невозможно. Нестабильность частоты RC-генераторов имеет значение около 0,1%, LC-генераторов — около 0,01%, а кварцевый генератор имеет нестабильность частоты от 10^-4 до 10^-5 %.

Рис. Кварцевый генератор по схеме Пирса (а), кварцевый генератор по схеме Колпитца (б) и схема замеще­ния кварца (в).

  

Конструктивно кварцевый контур выполняется в виде кварцевой пластины с нанесенными на нее электродами. Эквивалентная схема кварцевого контура при­ведена на рис. в, где: L — эквивалентная индуктивность кварца, R_ис — со­противление потерь, С_ис — последовательная емкость, С_пр — параллельная емкость. Такой контур имеет две резонансные частоты: резонанса напряжений и резонанса токов , причем . Эти резонансные частоты расположены очень близко друг к другу и отличаются всего примерно на 1%.

Две схемы кварцевых генераторов приведены на рис. а) схема кварцевого генератора Пирса. В этой схеме кварц включается между стоком и затвором полевого транзистора VT, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. На частоте резонанса кварц вносит допол­нительный фазовый сдвиг на 180°, в результате чего обратная связь становится положительной. Аналогичным образом функционирует схема кварцевого генератора Колпитца (рис. б). В этой схеме для облегчения возбуждения приме­нен емкостной делитель на элементах С₁ и С₂. В результате чего схема становится похожей на емкостную трехточку.

 

 

Генераторы импульсных сигналов, или генераторы импульсов, предназначены для получения колебаний резко несинусоидальной формы, называемых релаксационными. Для таких колебаний характерно наличие участков сравнительно медленного изменения напряжения и участков, на которых напряжение изменяется скачкообразно.

Генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) – это схема, используемая в вычислительной технике для получения сигнала, синхронизирующего работу отдельных частей всей вычислительной системы. Он работает как автоколебательный ключ, непрерывно переключающийся взад и вперёд между двумя уровнями постоянного напряжения без использования внешнего сигнала запуска. Для импульсных генераторов характерно наличие внешней или внутренней положительной обратной связи, обусловливающей возможность их самовозбуждения и скоротечный (лавинообразный, регенеративный) процесс перехода активных элементов генератора из одного крайнего (закрытого, открытого) в другое (открытое, закрытое) состояние. Во время такого лавинообразного процесса происходит быстрое (скачкообразное) изменение напряжения (тока) на некоторых элементах генератора.

 

В импульсной технике вычислительных устройств и устройств автоматики чаще всего используются генераторы прямоугольных и пилообразных импульсов, а также их разновидности, с разными соотношениями длительности импульсов и их фронтов - трапецеидальные и треугольные.

Импульсные генераторы могут работать в трех основных режимах: автоколебательном, ждущем и в режиме синхронизации.

Автоколебательные генераторы импульсов после самовозбуждения генерируют последовательность импульсов, параметры которых (амплитуда, частота повторения, длительность, скважность) определяются только параметрами элементов схемы генератора.

Ждущие  генераторы генерируют импульсы, период повторения которых определяется периодом повторения запускающих импульсов, а параметры каждого импульса (амплитуда, длительность, форма) зависят только от параметров схемы генератора.

В режиме синхронизации генератор вырабатывает импульсы, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала. Поэтому такие генераторы часто используются в качестве делителей частоты. Кроме того, иногда генерируются нескольких импульсных последовательностей, сдвинутых по фазе друг относительно друга на некоторую произвольную величину, в общем случае не равную 180°. Такие генераторы называются многофазными.

 

В качестве времязадающих используются емкостно-резисторные или индуктивно-резисторныеRС– цепи, линейные формирующие цепи, линии задержки и колебательные контуры.

 

Действие импульсного напряжения на цепь RС. Цепи из элементов RC в различных комбинациях могут быть использованы для преобразования формы импульсов. В зависимости от того, с какого элемента снимается сигнал (с R или С), цепь называют дифференцирующейили интегрирующей. Цепь, показанная на рис. а называется дифференцирующей, поскольку при τ₀<t_и выходное напряжение пропорционально производной от входного и служит для получения кратковременных остроконечных импульсов напряжения, часто используемых для запуска формирующих устройств. Чем меньше τ₀, тем больше скорость изменения напряжения и тем острее будут импульсы напряжения на выходе дифференцирующей цепи.

 Предположим, что на входе цепи, содержащей конденсатор С и резистор R (рис. а), действует последовательность прямоугольных импульсов (pиc. б).

В момент появления на входе RC цепи переднего фронта импульса в ней потечет наибольший ток I_m =U_m /R (рис. в).

По мере заряда конденсатора результирующее напряжение в схеме u_p=U_m—u_c уменьшается, соответственно уменьшается зарядный ток t_a. Уменьшение тока происходит по экспоненциальному закону. Ток заряда i_з создает на резисторе R падение напряжения (рис. г). С уменьшением тока экспоненциально снижается напряжение на резисторе R.

Воздействие прямоугольного импульса на дифференцирующую цепь: а — схема, б — форма импульса на входе, в — форма тока в цепи, г —форма напряжении на резисторе, д — то же, на конденсаторе ,е —форма импульса на выходе при τ₀≥t_и, ж — то же при τ₀≤ t_и

Напряжение на конденсаторе u_c по мере его заряда экспоненциально возрастает (рис. д) и к некоторому моменту достигает наибольшего значении U_mпосле чего остается постоянным на все время действия плоской вершины входного импульса. Время, в течение которого напряжение на С и R достигает амплитудного значении,  зависит от величины сопротивления резистора R и емкости конденсатора С. Чем меньше эти величины, тем быстрее заканчивается переходный процесс. После спада входного импульса конденсатор разряжается через резистор R. Скорость изменения разрядного тока i_p (рис.  в) и напряжения u_n (рис. г) такая же, как и при заряде, а на выходе формируется задний фронт (спад) импульса. Направление тока и полярность напряжения на резисторе в этом случае станут противоположными.

Оценку длительности переходного процесса ведут с помощью постоянной времени цепи τ₀ = RC.

С увеличением τ₀ длительность переходных процессов возрастает. Практически переходные процессы в схеме заканчиваются по истечении промежутка времени t = (2,3-3)τ₀.

Форма выходного напряжения зависит от значения τ₀ (рис. г, е, ж). При τ₀»t_и (рис. е) конденсатор за время действия входного импульса не успевает зарядиться, и форма выходного сигнала лишь незначительно отличается от формы входного. С такими параметрами (τ₀»t_и) цепь часто используют в схемах импульсных устройств как разделительную между усилительными каскадами (в качестве R используется сопротивление входа следующего каскада). При τ₀<t_и заряд и разряд конденсатора происходят за время, немного меньшее длительности импульса, поэтому выходное напряженно имеет вид двух узких разнополярных импульсов (рис. ж).

Рис. Воздействие прямоугольного импульса на интегрирующую цепь: а— схема, б— форма импульса на входе, в — то же, на выходе, г — зависимость формы импульса от соотношения τ₀/t_и Цепи на RL элементах: а — дифференцирующая, б — интегрирующая рис.3 (убывающая или нарастающая экспонента).

 Если в цепи RC выходное напряжение снимается с емкости (рис. а), то при τ₀≫t_и выходной сигнал пропорционален интегралу от входного, и такая цепь называется интегрирующей. Если постоянная времени RC цепи выбрана равной или больше длительности прямоугольного импульса (рис. б) напряжения на входе (τ₀≫t_и), то на выходе RC цепи возникает импульс с растянутым фронтом и спадом (рис. в). При воздействии на вход такой цепи кратковременного импульса напряжения на выходе образуется более широкий импульс.

Дифференцирование и интегрирование может также осуществляться с помощью цепей RL. Поскольку реактивное действие индуктивности противоположно емкости, то в RL-цепях при дифференцировании выходной сигнал снимается с индуктивности (рис. 156, а), а при интегрировании — с резистора (рис. 156, б). Цепи RL применяют сравнительно редко, так как они содержат дорогую моточную деталь - L.

 

*) Переходные процессы в простейших линейных цепях, т.е. в цепях RL или RC описываются дифференциальным уравнением первого порядка:

, где x(t) - напряжение или ток в схеме, y(t) - внешнее воздействие.

Решение этого уравнения для случая y(t) = const имеет вид: , где t - текущее время, x(t) - напряжение или ток в схеме, x(∞) - конечное значение x(t) при t=∞, x(0) - начальное значение x(t) при t = 0.

Характер изменения функции x(t) представлен на рис.в (убывающая или нарастающая экспонента).

 

RС-генераторы гармонических сигналов.Генераторы с LC-контурами нашли широкое применение на высокой частоте, однако их применение на низкой час­тоте осложняется низким качеством и большими габаритами катушек индуктив­ности. В связи с этим низкочастотные генераторы обычно используют различные RС-цепи в звеньях положительной обратной связи. Эти RС-цепи обычно имеют квазирезонансные характеристики со сдвигом фаз между входным и выходным напряжениями, равным нулю или 180°. Две такие цепи приведены на рис.12.7.

 

Рис. Трехзвенная RC-цепь (а) и схема моста Вина (б) RC генератор f = 1/2πsqrt(6RC)

Первая цепь (рис. а) состоит из трех фазосдвигающих звеньев, каждое из которых обеспечивает сдвиг по фазе на 60°. В результате выходное напряжение бу­дет сдвинуто по отношения к входному на 180°С. Для возбуждения колебаний усилитель также должен иметь сдвиг по фазе, равный 180°, т. е. должен быть ин­вертирующим.

Вторая цепь, изображенная на рис.б, называется мостом Вина и на ква­зирезонансной частоте обеспечивает сдвиг по фазе, равный нулю, поэтому для возбуждения колебаний усилитель должен быть неинвертирующим. В качестве активных элементов используются биполярные транзисторы,

 полевые транзисторы, ОУ в интегральном исполнении.

 

Мост Вина состоит из двух RС-звеньев: первое звено состоит из последова­тельного соединения R и С и имеет сопротивление ,

второе звено состоит из параллельного соединения таких же R и С и имеет сопро­тивлени .

Коэффициент передачи звена положительной обратной связи определяется выражением

,откуда после подстановки Z1 и Z2, найдем  .

Если выполнить условие , то фазовый сдвиг будет равен нулю, а β=1/3. В этом случае частоту генератора можно будет определить по формуле

Мультивибраторы

Автоколебательным мультивибратором (MB) называется устройство, которое периодически находится в одном из двух квазиустойчивых состояний, переход в которые происходит регенеративно. Мультивибратор представляет собой генератор колебаний почти прямоугольной формы на основе двухкаскадного усилителя с положительной обратной связью, в котором выход каждого каскада соединен с входом другого. Название этого генератора отражает тот факт, что в спектральный состав сигнала, существенно отличающегося от гармонического (в данном случае – сигнал прямоугольной формы), входит большое число (мульти) гармонических составляющих.Длительность импульса у релаксационных генераторов определяется временем исчезновения (по латыни relaxatio) электрического или магнитного поля в одном из входящих в состав генераторов накопителе энергии, например, конденсаторе.

 

Колебания представляют собой смену квазиустойчивых состояний, в которых каждый транзистор попеременно находится в открытом состоянии, характеризующимся напряжением на базе U_б > 0,7 В, напряжением на коллекторе U_к = (0,1 – 0,2) В и током коллектора I_к = Vк/ Rк,  и закрытом состоянии, характеризующимся напряжением на базе U_б < 0,6 В, напряжении на коллекторе U_к = Vк, токе коллектора I_к = 0. Положительная обратная связь существует при переходе транзистора из режима насыщения в режим отсечки и наоборот, то есть в активном режиме работы транзисторов

Переход транзисторов из одного состояния в другое определяют времязадающие цепочки R_б1 С1 и R_б2 C2 и соотношение напряжений V_б и V_к. Открытие (закрытие) одного транзистора передается на базу другого с некоторой задержкой, а положительная обратная связь формирует короткие фронты.  

 

Регулировать частоту колебаний мультивибратора можно, изменяя постоянные времени τ₁ и τ₂ или значение напряжения смещения V_b. Математические модели мультивибратора отличаются от реальных необходимостью введения разбаланса в плечах, что бы колебания возникли, в редакторе начальных условий.

Ждущий мультивибратор.

Ждущие генераторы прямоугольных импульсов предназначены для формирования прямоугольного импульса заданной длительности при поступлении на вход короткого запускающего импульса. Такие генераторы имеют одно устойчивое и одно квазиустойчивое состояния, переход в которые осуществляется регенеративно.

 

Исходное устойчивое состояние. Транзистор Q2 открыт, a Q1 закрыт. Транзи­стор Q2 удерживается в откры­том состоянии током I_{Б 2}, созда­ваемым источником Ек и втекаю­щим в базу транзистора Q2 че­рез резистор R2. Этот ток равен: I_Б2 = (Ек— U_{БЭ НАС 2}) / R2.

Сопротив­ление R2 выбрано таким, чтобы ток базы транзистора Q2 был больше тока базы на границе насыщения,  транзистор VT2 насыщен, напряжение на его коллекторе U_К2 име­ет небольшое остаточное значение. При этом транзистор Q1  закрыт, напряжение на его базе U_Б1 меньше поро­га открывания Uб, а конденсатор С2 заряжен до напряжения U_C2 ≈ Е_К - U_{БЭ НАС}  (слева плюс, справа минус) через R_k1 и базовый переход транзистора Q2.

Запуск. В момент t₁ на базу Q2 поступает импульс тока, формируемый цепью запуска. Под дейст­вием заднего фронта этого импульса транзистор VT2 закрывается, напряжение U_{К 2} на его коллекторе нарастает до значения, близкого к Ек. Это напряжение существенно превышает порог открывания Uб транзистора Q1, последний открывается и входит в насы­щение, что обеспечивается соответствующим выбором сопротивле­ния R1.

Конденсатор С2 перезаряжается частью коллекторного тока транзистора Q1, протекающего по цепи: конденсатор С2, резистор R2, источник Ек так, что бы справа появился плюс, слева – минус). В соответствии с изменением напря­жения на конденсаторе меняется и напряжение U_{Б 2} на базе тран­зистора Q2. В момент времени t=t₂ напряжение на переза­ряжающемся конденсаторе С2 достигает порогового значения (0.75V), транзистор Q2 открывается и схема возвращается в состояние ожидания.

Генераторы пилообразных импульсов

Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) являются одной из наиболее широко применяемых импульсных схем. Эти устройства необходимы для развертки сигналов в телевизионных и осциллографических трубках, преобразования аналоговых сигналов в число импульсов (АЦП) в измерительных и преобразовательных устройствах, формирования временного сдвига импульса в зависимости от величины входного сигнала в фазоимпульсных устройствах, широтно-импульсной модуляции сигналов в преобразовательной технике.

Линейно изменяющимся (или пилообразным) называется напряжение, которое в течение рабочей стадии Т_р изменяется линейно от некоторого начального уровня U₀ до предельного значения U₁, a затем в течение определенного промежутка времени, называемого временем восстановления Т_в, возвращается к исходному значению. Для линейно изменяющегося напряжения характерно условие Т_р >> Т_в.

 

Независимо от практической реализации все типы ГПН можно представить в виде единой эквивалентной схемы,  основанной на применении интегрирующей RС-цепи совместно с ключом,  осуществляющим периодическую коммутацию цепи. В течение рабочей стадии происходит процесс заряда или разряда конденсатора в цепи с относительно большим сопротивлением R, а в  стадии восстановления - разряда или заряда конденсатора С в цепи с малым сопротивлением.

Рис. 2 а)                                                                      б)                              в)

 

В схеме б) конденсатор заряжается через R2, а разряжается мнговенно через открытый транзистор. Лучшие параметры генератора обеспечивают зарядные (или разрядные) схемы с источниками (генераторами) тока. Ещё лучшие параметры обеспечивают генераторы пилообразного напряжения, в которых применяются обратные связи в зарядных (или разрядных) цепях.

В схеме в) конденсатор С1 заряжается постоянным током эмиттера, а разряжается с момента падения напряжения на базе через сопротивление R2 c τ_Р.

    

 

ГПН с повышенной линейностью. ГПН с малым значением коэффициента нелинейности           (ε < 1 %) и его незначительной зависимостью от сопро­тивления нагрузки создаются на основе интегральных ОУ. В ГПН на ОУ (рис. 11.15) высокая линейность пило­образного напряжения достигается действием положительной ОС в цепи зарядки конденсатора С.

Рис.  Схема ГПН на базе интегрального ОУ

 

Во время положительного импульса транзистор VT открыт и конденсатор быстро разряжается через малое сопротивление на­сыщенного транзистора. В паузах между входными импульсами транзистор закрыт и конденсатор заряжается током i₁от источника Е₁ через резистор R3.

Напряжение и_С, образуемое на конденсаторе, посту­пает на неинвертирующии вход ОУ, работающего в линейном режиме с коэффициентом усиления по неинвертирующему входу К⁽⁺⁾_и = 1 + (R2/R1). В результате на выходе ОУ создается напряжение и_вых = и_С К⁽⁺⁾_и , а на резисторе R4 — напряжение, равное и_R4 = и_вых – и_С = и_С К⁽⁺⁾_и – и_C = u_CR2/R1 = и_С К^(–)_и. Напряжение и_R4 = u_CR2/R1 создает ток i₂, который протекает через кон­денсатор С в том же направлении, что и ток i₁. Следова­тельно, ток зарядки конденсатора в паузах между вход­ными импульсами   .

По мере зарядки конденсатора ток i₁ уменьшается, а напряжения на конденсаторе и на выходе ОУ увеличи­ваются. Если К^(–)_и = R2/R1 >> 1, то напряжение на ре­зисторе R4 и протекающий через него ток i₂ при увеличе­нии и_С также увеличиваются. Увеличение тока i₂ при со­ответствующем подборе коэффициента усиления может полностью компенсировать уменьшение тока i₁, и зарядка конденсатора будет происходить постоянным током, чем обеспечивается высокая линейность пилообраз­ного напряжения.

Блокинг-генераторы

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный релаксационный генератор кратковременных импульсов с сильной индуктивной положительной обратной связью, создаваемой импульсным трансформатором. Вырабатываемые блокинг-генератором импульсы имеют большую крутизну фронта и среза и по форме близки к прямоугольным. Длительность импульсов может быть в пределах от нескольких десятков наносекунд до нескольких сотен микросекунд. Обычно блокинг-генератор работает в режиме большой скважности – от нескольких сотен до десятков тысяч.

Блокинг-генератор может работать в автоколебательном режиме, режиме внешней синхронизации или в ждущем режиме. Схема с общей базой более стабильна по отношению к изменению параметров транзистора, а схема с общим эмиттером обеспечивает меньшую длительность фронта импульсов.

В первой стадии, занимающей большую часть периода колебаний, транзистор заперт, конденсатор    С имеет + на базе и медленно разряжается через большое сопротивление резистора Rб, транзистор заперт.

Когда напряжение на базе U_Б достигнет примерно «нулевого» уровня, транзистор отпирается и через коллекторную обмотку трансформатора W_К начинает протекать ток. Отрицательное напряжение, возникшее в базовой обмотке с противофазным включением, приведет к дальнейшему увеличению коллекторного тока и тем самым – к дальнейшему увеличению отрицательного напряжения на базе и т.д. Развивается лавиноообразный процесс увеличения коллекторного тока и напряжения на базе U_Б – транзистор отпирается. Это прямой блокинг – процесс, который происходит очень быстро, и за это время напряжение на конденсаторе и энергия магнитного поля в сердечнике трансформатора практически не изменяются. Формируется фронт импульса, а транзистор переходит  в режим насыщения,  утрачивает свои усилительные свойства, положительная обратная связь нарушается. Начинается процесс формирования вершины импульса, во время которого рассасываются неосновные носители, накопленные в базе, а конденсатор (-) разряжается базовым током. Когда напряжение на базе достигнет активного уровня, транзистор выходит из режима насыщения, восстанавливаются его усилительные свойства. Уменьшение тока базы вызывает уменьшение коллекторного тока. Вновь возникает лавинообразный процесс (обратный блокинг) в результате которого транзистор запирается,  формируя срез импульса.

Генератор шума. Особенность сигнала такого генератора в его хаотической форме и сравнительно широком диапазоне частот — от сотен герц до десятков мегагерц.

Источник шума (вдиапазоне 10 Гц – 30 MГц) - стабилитрон с током через стабилитрон около 2% от минимального тока стабилизации. Усилитель – ОУ. С1 ограничивает усиление снизу частотного диапазона, С2 – сверху (исключает возможность самовозбуждения). Резисторы R3, R4 обеспечивают усиление ( R4=1M, R3=1k, Кu =1000).

 

«Цифровой» шум представляет собой временной случайный процесс, близкий по своим свойствам к процессу физических шумов. Цифровая последовательность двоичных символов представляет собой последовательность прямоугольных импульсов псевдослучайной длительности с псевдослучайными интервалами между ними. Для получения шумового цифрового сигнала в качестве источника шума применяется генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), основой построения которого  являются регистры сдвига с обрат­ными связями на сумматорах по модулю 2. Период повторения всей последовательности значительно превышает наибольший интервал между импульсами.

 

DDS: прямой цифровой синтез частоты    http://ra3ggi.qrz.ru/UZLY/dds.htm

Наиболее распространенными являются следующие методы синтеза частот:

- прямой аналоговый синтез (Direct Analog Synthesis) на основе структуры смеситель/фильтр/делитель, при котором выходная частота получается непосредственно из опорной частоты посредством операций смешения, фильтрации, умножения и деления;

- косвенный (indirect)синтез на основе фазовой автоподстройки частоты (Phase Locked Loop, PLL), при котором выходная частота формируется с помощью дополнительного генератора (чаще всего это генератор, управляемый напряжением — ГУН), охваченного петлей ФАПЧ;

- прямой цифровой синтез (Direct Digital Synthesis, DDS), при котором выходной сигнал синтезируется цифровыми методами.

Все описанные методы синтеза доступны разработчикам уже десятилетия, но в последнее время DDS уделяется пристальное внимание. Появление дешевых микросхем с DDS и удобных средств разработки делает их сегодня привлекательными для разных сфер применения.

DDS уникальны своей цифровой определенностью — генерируемый ими сигнал синтезируется со свойственной цифровым системам точностью. Частота, амплитуда и фаза сигнала в любой момент времени точно известны и подконтрольны. DDS практически не подвержены температурному дрейфу и старению. Единственным элементом, который обладает свойственной аналоговым схемам нестабильностью, является ЦАП. Высокие технические характеристики стали причиной того, что в последнее время DDS вытесняют обычные аналоговые синтезаторы частот.

Основные преимущества DDS:

- очень высокое разрешение по частоте и фазе, управление которыми осуществляется в цифровом виде;

- экстремально быстрый переход на другую частоту (или фазу), перестройка по частоте без разрыва фазы, без выбросов и других аномалий, связанных со временем установления;

- архитектура, основанная на DDS, ввиду очень малого шага перестройки по частоте, исключает необходимость применения точной подстройки опорной частоты, а также обеспечивает возможность параметрической температурной компенсации;

- цифровой интерфейс позволяет легко реализовать микроконтроллерное управление;

Ограничения:

- максимальная выходная частота не может быть выше половины тактовой (на практике она еще меньше);

- отдельные побочные составляющие сигнала на выходе DDS могут быть значительными, по сравнению с синтезаторами других типов. Спектральная чистота выходного сигнала DDS зависит от качества ЦАП;

- потребляемая DDS-мощность практически прямо пропорциональна тактовой частоте и может достигать сотен милливатт.

Для получения синусоидального сигнала на вход ЦАП необходимо подать последовательность отсчетов функции sin, следующих с частотой дискретизации FCLK. Закон изменения функции sin во времени сложен и цифровыми методами просто не реализуется. Можно, конечно, используя полиномиальное представление, вычислять значения функции sin с помощью АЛУ (накопление). Однако такой метод не будет быстродействующим, а высокое быстродействие является одним из основных требований к DDS. Поэтому наиболее подходящим методом формирования отсчетов функции sin является табличный метод. Перекодировочная таблица (Look Up Table) чаще всего размещается в ПЗУ. Код, который подается на адресные входы ПЗУ, является аргументом функции sin, а выходной код ПЗУ равен значению функции для данного аргумента.

 

Простейший DDS выглядит так: двоичный счетчик формирует адрес для ПЗУ, куда записана таблица одного периода функции sin, отсчеты с выхода ПЗУ поступают на ЦАП, который формирует на выходе синусоидальный сигнал, подвергающийся фильтрации в ФНЧ и поступающий на выход (рис. 3). Для перестройки выходной частоты используется делитель с переменным коэффициентом деления, на вход которого поступает тактовый сигнал с опорного генератора. Недостаток - неудовлетворительная способность к перестройке по частоте.

Оригинальное решения — замена адресного счетчика ПЗУ накапливающим сумматором. Накапливающий сумматор представляет собой регистр, который в каждом такте работы устройства перезагружается величиной, равной старому содержимому, плюс некоторая постоянная добавка (рис. 4). Как и в случае со счетчиком, содержимое регистра линейно увеличивается во времени, только теперь приращение не всегда является единичным, а зависит от величины постоянной добавки. Когда накапливающий сумматор используется для формирования кода фазы, его еще называют аккумулятором фазы. Выходной код аккумулятора фазы представляет собой код мгновенной фазы выходного сигнала. Постоянная добавка, которая используется при работе аккумулятора фазы, представляет собой приращение фазы за один такт работы устройства.

Выходной синусоидальный сигнал восстанавливается из отдельных отсчетов. Целое число отсчетов на период укладывается лишь в частном случае (рис. 6, а). В большинстве случаев это не так, и на каждом новом периоде сигнала отсчеты находятся в новых местах (рис. 6, б).

 

 

---

Дата добавления: 2018-05-30; просмотров: 2475; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!