ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Что такое функциональный генератор, и как им пользоваться

Время на прочтение

Привет, Хабр! Какие и насколько значительные искажения, (или преобразования, если они желательные), привносит в сигнал тот или иной прибор, цепь или узел?

— это лабораторный прибор, который позволяет моментально увидеть эти искажения на экране осциллографа. Согласитесь, это максимально удобно и наглядно.

Сегодня мы соберём и опробуем такие генераторы на специализированных микросхемах и , а также простейший вариант на .

Лабораторным функциональным генератором на микросхеме XR2206 мы уже пользовались в статье про самодельный ламповый усилитель.

, представляющий собой электрические колебания одной частоты, в идеале без гармоник (на практике ничего идеального не бывает, но всегда надо с чего-то начинать, к чему-то стремиться и с чем-то сравнивать), позволяет увидеть на экране осциллографа как раз эти самые гармоники. Их видно как искажения формы синусоиды.

, осциллограмма которой состоит из прямых наклонных отрезков, позволяет увидеть нелинейные искажения в виде отклонений формы выходного сигнала от прямых линий.

в идеале представляют собой мгновенное включение и мгновенное отключение напряжения. Благодаря им, можно увидеть на экране осциллографа релаксационные и резонансные переходные процессы.

К релаксационным переходным процессам относятся завал фронтов интегрирующей цепью и наоборот, иглообразные всплески, которые создаёт дифференцирующая цепь.

Так как интегрирующая цепь является фильтром нижних частот (ФНЧ), завал фронтов свидетельствует о спаде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области высоких частот. Что характерно, например, для гитарных кабелей и соединительных кабелей аудиоаппаратуры.

Дифференцирующая цепь является фильтром верхних частот, ослабляющим низкочастотную составляющую сигнала. Применительно к аудиотехнике это потеря басов. На экране осциллографа наблюдается подъём фронтов.

Звон — это резонансные процессы, выглядящие как затухающие гармонические колебания, обычно небольшой амплитуды. Прямоугольный тестовый сигнал позволяет заметить их там, где должна быть прямая горизонтальная линия. На фоне сигнала иной формы было бы трудно понять, что это именно звон.

В импульсных блоках питания звон может быть причиной выхода преобразователя из строя, а в высокоскоростной цифровой технике создавать помехи и приводить к сбоям.

В одних случаях нам необходимо получить определённое преобразование сигнала, в других — усилить и передать его без искажений. Осциллограф и функциональный генератор — два незаменимых прибора в исследовании работы электронных схем и поиске неисправностей и недоработок.

▍ Схема на XR2206

Этот набор с Алиэкспресс позволяет собрать неплохой функциональный генератор в прозрачном акриловом корпусе. Он «умеет» выдавать синусоидальный сигнал, треугольную волну и прямоугольные импульсы, снабжён регулировкой усиления, имеет грубую и точную регулировку частоты в 4 поддиапазонах:

Форма прямоугольного сигнала на частоте 19 герц совсем не радует. Вместо горизонтальных отрезков меандра — видим прямые, но сильнонаклонённые участки. Набор китайский, дешёвый, полуигрушечный, и ожидать идеального сигнала было бы странно. Неужели всё так плохо?

Может быть, дело в том, что вывод 11 микросхемы называется не «square wave output», а «sync output», то есть выход синхронизации? То есть, при разработке чипа XR2206 компания EXAR не предусматривала высококачественного меандра. Ведь для синхронизации достаточно просто фронта импульса.

На самом деле нужно просто переключить вход осциллографа из режима сопряжения по переменному напряжению (AC coupling) в сопряжение по постоянному (DC). Эти два режима различаются тем, что в режиме AC щуп подключён через конденсатор, отсекающий постоянное смещение.

Это удобно, потому что не нужно настраивать вертикальное смещение вручную. Применительно к дешёвым цифровым осциллоскопам, если положительное смещение превышает амплитуду сигнала, это вообще единственный способ посмотреть форму волны, если не применять внешнего источника смещения.

Дело в том, что ёмкость конденсатора в сочетании с традиционно высоким входным сопротивлением осциллографа образует дифференцирующую цепочку, которая отсекает не только постоянную составляющую, но и низкие частоты. Чем ниже частота, тем значительнее искажение формы сигнала.

Случилось чудо, и теперь мы видим прекрасный меандр. Осциллографом тоже надо уметь пользоваться.

На частоте 420 Гц меандр остаётся прекрасным.

На частоте 125 кГц видим уже небольшое искажение меандра. Аналоговая полоса пропускания карманного осциллографа JYE Tech DSO Coral 112А составляет 0 — 2 МГц. То есть, сигналы частотой до 200 кГц он должен показывать — как они есть.

Вместо нормального щупа, тут простые провода с крокодилами без подстроечного конденсатора. При наблюдении тестового сигнала 100 кГц с генератора самого осциллографа видим такой же зубец.

Меандр 1 МГц на экране DSO Coral 112А выглядит как синусоида, а точнее, как синусоида, искажённая лампой. Дело в том, что аналоговый тракт осциллографа не пропускает частот выше второй гармоники этого сигнала. Чтобы адекватно наблюдать форму сигнала частотой 1 МГц, нужна полоса пропускания до 10 МГц.

Тем не менее, настраивать аудиотехнику, гитарные эффекты и импульсные блоки питания, кроме высокочастотных, при помощи такого осциллографа можно.

Синусоидальный сигнал выглядит хорошо, но регулятор амплитуды позволяет усилить его настолько, что наступает ограничение. Это надо иметь в виду, когда пользуемся этой ручкой. Если мы не следим за входным сигналом и прибавляем амплитуду, нам может показаться, что выходной сигнал подвергся ограничению. На самом деле ограничение происходит внутри микросхемы.

Треугольный сигнал выглядит прекрасно. Если переключиться на сопряжение по переменному току, увидим интегрированную волну.

На частоте 285 кГц вершины треугольных импульсов выглядят скруглёнными, но это уже связано с полосой пропускания осциллографа.

▍ Изучаем микросхему XR2206

Теперь посмотрим на схему генератора. Времязадающие конденсаторы C4 — C8 задают частотные поддиапазоны и переключаются джампером P2.

Переменный резистор R8 осуществляет грубую, а R7 — точную настройку частоты, благодаря тому, что они соединены последовательно, и сопротивление R7 вдвое меньше, чем у R8. Можно было сделать и более тонкую подстройку, если бы сопротивления различались, например, в 5 раз.

R6 ограничивает минимальное сопротивление составного времязадающего резистора. Данная конструкция использует всего один вход под резистор, а в микросхеме XR2206 их два. Конденсатор при этом используется один и тот же.

Переключение двух резисторов, и, соответственно, двух частот, осуществляется через вывод 9 — Frequency Shift Keying Input, FSKI. Если напряжение на нём ниже 1 вольта, генерируется частота, задаваемая резистором, подключённым между выводом 8 и землёй схемы. А если выше 2 вольт, активен вывод 7, и соответствующий резистор.

Если вход FSKI висит в воздухе, частоту задаёт вывод 7. Из чего делаем вывод, что нога 9 имеет внутреннюю подтяжку к положительному напряжению, хотя на эквивалентной схеме этот резистор или источник тока не обозначен.

Frequency Shift Keying — это частотная манипуляция, то есть модуляция, при которой скачкообразно изменяется частота несущего сигнала в зависимости от значений символов информационной последовательности.

Справочный листок к микросхеме XR2206 предлагает такую схему телеграфного (бинарного, двоичного) частотного манипулятора. А мы возвращаемся к схеме функционального генератора из набора.

Резисторы R3 и R5 делят напряжение питания пополам. Образованная ими средняя точка, причём не заземлённая по переменному току (в отличие от схем из справочного листка к микросхеме), подключена к выводу 3 микросхемы через переменный резистор R2. Его сопротивление задаёт усиление и, соответственно, амплитуду выходного синусоидального и треугольного сигналов. На амплитуду меандра этот регулятор не влияет.

Схема из документа AN-14 «А high quality function generator system using the XR2206 chip» предлагает регулировать не только амплитуду выходного сигнала, но и его смещение, посредством потенциометра R9.

Переменным резистором R10 можно подстроить форму синусоиды для получения минимума гармонических искажений. У генератора из набора с Али эта подстройка отсутствует, но как мы видим, хорошая синусоида получается и с постоянным резистором 330 Ом. На треугольную волну этот резистор не влияет, так как режим треугольной волны активируется отключением данного резистора.

Сигналом, подаваемым на вывод микросхемы, подключённой к активному на данный момент времязадающему резистору, можно осуществлять частотную модуляцию. Например, построить генератор качающейся частоты (ГКЧ), который применяется для исследования АЧХ — амплитудно-частотной характеристики устройств, их узлов и компонентов.

А для амплитудной модуляции разработчики XR2206 предусмотрели выход 1, который у китайского генератора также не задействован.

Электролитический конденсатор, подключаемый к выводу 10, заземляет по переменному току внутренний источник опорного напряжения. Такое мы видели в обвязки многих аналоговых микросхем.

Потенциометр R11 между выводами 15 и 16, бегунок которого через резистор R7 подключён к минусу питания, служит для регулировки симметрии волны. В китайском генераторе этот регулятор отсутствует.

Вывод прямоугольных синхроимпульсов 11, являющийся выходом с открытым коллектором, нужно подтягивать резистором к плюсу питания. Схема из AN-14 предусматривает делитель R5R6, позволяющий получить выходы с полной и с половинной амплитудой.

А чтобы получить колебания с разным коэффициентом заполнения, например, ШИМ или развёртку для ЭЛТ осциллографа, следует просто соединить выход синхросигнала со входом переключения частотнозадающих резисторов. Тогда положительная и отрицательная полуволны будут составлять не половину периода колебаний, а его часть, соответствующую соотношению сопротивлений времязадающих резисторов.

▍ Схема на ICL8038

Второй функциональный генератор собран из набора на микросхеме ICL8038. Данный вариант конструктивного исполнения аскетичный, с подстроечными резисторами.

Можно заказать и нарядную версию с акриловым корпусом и удобными ручками переменных резисторами.

Есть и третий вариант. Он поставляется в виде собранного модуля с 10-оборотными подстроечными резисторами и пригодится тем, кому важна точность настройки.

В отличие от XR2206, микросхема имеет отдельные выходы для меандра, треугольника и синусоиды. Подстроечный резистор RP1 задаёт частоту колебаний. R P5 — регулятор амплитуды выходного сигнала. R P3 дополнительно настраивает амплитуду прямоугольных импульсов.

RP2 регулирует коэффициент заполнения ШИМ. Иными словами, влияет на временной баланс положительной и отрицательной полуволн.

RP4 настраивает смещение формирователя синусоиды.

Прямоугольник и пила выглядят прекрасно.

Приближаясь к верхней границе частотного диапазона, синусоида искажается, прямоугольник выглядит как синусоида, а зубья пилы становятся серповидными. Но такова полоса пропускания осциллографа DSO Coral 112А.

▍ Схема на NE555

И напоследок опробуем примитивное решение на универсальном таймере .

Здесь меандр последовательно проходит через три одинаковых RC интегратора, а затем поступает на базу транзистора во включении с общим эмиттером, коллектор которой соединён с базой через конденсатор. ( Резистор 1 МОм обеспечивает смещение базы). Переставляя джампер, можно наблюдать, что происходит с сигналом на каждой стадии.

На специализированных микросхемах и получаются прекрасные функциональные генераторы для любительской электронной лаборатории.

Что касается простой схемы на таймере , аппроксимация синусоиды получилась неожиданно неплохой. Тогда как плато меандра искажены дифференцирующей цепочкой, пила вместо отрезков прямой имеет куски экспоненты, (чтобы получить , — генератор линейно изменяющегося напряжения, — надо заряжать конденсатор не постоянным напряжением через резистор, а источником стабилизированного тока), а вершины треугольников, разумеется, скруглены интеграторами.

Напишите в комментариях, какие лабораторные генераторы сигналов вы использовали и собирали, и как можно применить сегодняшние схемы.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 15 сентября 2019 года; проверки требуют 10 правок.

Генератор сигналов низкочастотный Г3-109

Функциональный генератор. В правом верхнем углу панели видны кнопки переключения формы выходного сигнала.

Измери́тельный генера́тор, (генератор сигна́лов, сигнал-генератор, генератор стандартных сигналов) от лат. generator — производитель, — электронное устройство, мера для воспроизведения электрического или электромагнитного сигнала (синусоидального, импульсного, шумового или специальной формы).

Генераторы применяются для проверки и настройки радиоэлектронных устройств, каналов связи, при поверке и калибровке средств измерений и в других целях.

Устройство и принцип действия. Общие сведения

Генератор является радиоэлектронным устройством, в зависимости от вида сигнала содержащее разные функциональные узлы. Общими узлами, для разных видов генераторов, являются: источник исходного сигнала (например, перестраиваемый автогенератор или стабилизированный кварцевый синтезатор частоты, генератор шума), усилители, выходные формирователи сигнала, выходной аттенюатор, устройства и цепи управления, устройства стабилизации выходного уровня сигнала и блок питания. Дополнительно, в составе генератора могут быть различные модуляторы, формирователи временных интервалов, устройства внешнего запуска и другие устройства.

В некоторых генераторах специальной формы сигнала форма выходного сигнала синтезируется цифровым методом, с помощью ЦАП.

Существуют также генераторы сигнала в оптическом диапазоне длин волн, их работа основана на принципах квантовой электроники.

По ГОСТ 15094 генераторы подразделяются на 6 видов: низкочастотные, высокочастотные, импульсные, сигналов специальной формы, шумовых сигналов и качающейся частоты. Однако, следует учитывать, что классификационные границы условны, некоторые генераторы занимают промежуточное положение между низко- и высокочастотными, некоторые бывают комбинированными по виду сигнала.

Для оптических генераторов существует аналогичная классификация. Кроме генераторов стандартизованных видов бывают генераторы отраслевого назначения (в составе контрольно-измерительной аппаратуры).

Мультиметр со встроенными генераторами-пробниками частот 1 и 465 кГц

Основные нормируемые характеристики

У этого термина существуют и другие значения, см. Генератор.

Тактовый генератор персонального компьютера, основанный на чипе ICS 952018AF и резонаторе частотой 14,3 МГц

Генератор тактовых импульсов (генератор тактовой частоты) предназначен для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах, таймерах и других. Он вырабатывает электрические импульсы (обычно прямоугольной формы) заданной частоты, которая часто используется как эталонная — считая количество импульсов, можно, например, измерять временные интервалы.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

В зависимости от сложности устройства, используют разные виды генераторов.

Микросхема синтезатора частот в ноутбуке. Используется для получения разных тактовых импульсов на основе опорного генератора тактовых импульсов

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной недостаток данной конструкции — низкая стабильность, достоинство — предельная простота.

Пример — генератор Пирса.

Кварц + микросхема генерации

Микросхема генерации при подключении к её входам кварцевого резонатора будет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Такой способ используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась).

Для построения тактового генератора не требуется никакая специальная микросхема.

Программируемая микросхема генерации

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором, она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота периферийной шины AGP может быть всегда равна стандартной (66 МГц) и не зависеть от частоты системной шины процессора.

Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2, используют Т-триггер в режиме счётчика импульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).

Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие такты процессора («частоту»). В некоторых микропроцессорах и микроконтроллерах выполняется встроенным.

Кроме тактирования процессора, в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП и дешифратором сигналов состояния процессора.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 июня 2022 года; проверки требует 1 правка.

Генератор сигналов — устройство, позволяющее производить (генерировать) сигнал определённой природы (электрический, акустический и т. д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например, усилителя, охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра).

Генераторы электрических колебаний

Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица

Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.

Генераторы гармонических колебаний

Блок схема генератора

Генератор гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью (ПОС). Термин положительная обратная связь означает, что фазовый сдвиг в петле обратной связи близок к , то есть цепь обратной связи не инвертирует сигнал.

LC-генератор с перекрёстными связями. В этом генераторе синусоидальность выходного сигнала обеспечивается колебательным контуром в стоках транзисторов.

Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний с малыми искажениями синусоиды являются:

Примером структур с положительной обратной связью может служить мультивибратор, или иные релаксационные генераторы, но в таких схемах применены частотно-неизбирательные обратные связи и усилители, поэтому генерируемые ими колебания далеки от синусоидальных.

В 1887 году Генрих Герц на основе катушки Румкорфа изобрёл и построил искровой генератор электромагнитных волн.

В 1914 году Эдвин Армстронг (США) запатентовал электронный генератор на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром во входной (сеточной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку.

В 1915 году американский инженер из Western Electric Company Ральф Хартли, разработал ламповую схему известную как генератор Хартли, известную также как индуктивная трёхточечная схема («индуктивная трёхточка»). В отличие от схемы А. Мейсснера, в ней использовано автотрансформаторное включение контура. Рабочая частота такого генератора обычно выше резонансной частоты контура.

В 1919 году Эдвин Колпитц изобрёл генератор Колпитца на электронной лампе с подключением к колебательному контуру через ёмкостной делитель напряжения, часто называемый «ёмкостная трёхточка».

В 1932 году американец Гарри Найквист разработал теорию устойчивости усилителей, которая также применима и для описания устойчивости генераторов. ( Критерий устойчивости Найквиста-Михайлова).

Позже было изобретено множество других электронных генераторов.

Устойчивость генераторов складывается из двух составляющих: устойчивость усилительного каскада по постоянному току и устойчивость генератора по переменному току.

Фазовый анализ генератора Мейснера

Генераторы «индуктивная трёхточка» и «ёмкостная трёхточка» могут быть построены как на инвертирующих каскадах (с общим катодом, с общим эмиттером), так и на неинвертирующих каскадах (с общей сеткой, с общим анодом, с общей базой, с общим коллектором).

Каскад с общим катодом (с общим эмиттером) сдвигает фазу входного сигнала на 180°. Трансформатор, при согласном включении обмоток, сдвигает фазу ещё на приблизительно 180°. Суммарный петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 360°. Запас устойчивости по фазе максимален и равен почти ± 90°. Таким образом генератор Мейснера относится, с точки зрения теории автоматического управления (ТАУ), к почти идеальным генераторам. В транзисторной технике каскаду с общим катодом соответствует каскад с общим эмиттером.

Фазовый анализ LC-генератора с СR положительной обратной связью

LC-генераторы на каскаде с общей базой наиболее высокочастотны, применяются в селекторах каналов почти всех телевизоров, в гетеродинах УКВ приёмников. Для гальванической развязки в цепи положительной обратной связи с коллектора на эмиттер стоит CR-цепочка, которая сдвигает фазу на 60°. Генератор работает, но не на частоте свободных колебаний контура, а на частоте вынужденных колебаний, из-за этого генератор излучает две частоты: большую — на частоте вынужденных колебаний и меньшую на частоте свободных колебаний контура. При первой итерации две частоты образуют четыре: две исходные и две суммарноразностные. При второй итерации четыре частоты производят ещё большее число суммарноразностных частот. В результате, при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приёмниках смешивается с входным сигналом и образует ещё большее число суммарноразностных частот. Затем всё это подаётся в блок обработки сигнала. Кроме этого, запас устойчивости работы по фазе этого генератора составляет +30°. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом применяют частичное включение контура через ёмкостной делитель, но при этом происходит дополнительный перекос фазы. При одинаковых ёмкостях дополнительный перекос фазы составляет 45°. Суммарный петлевой сдвиг фазы 60°+45°=105° оказывается больше 90° и устройство попадает из области генераторов в область дискриминаторов, генерация срывается. При оптимально рассчитанном емкостном делителе запас устойчивости по фазе составляет менее 30°.

Генератор Мейснера на каскаде с общей базой, с частичным включением контура без перекоса фазы.

Если в «ёмкостной трёхточке» на каскаде с общей базой в цепи положительной обратной связи вместо CR-цепочки включить трансформатор со встречным включением обмоток, то петлевой сдвиг фазы составит около 360°. Генератор станет почти идеальным. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом и не внести дополнительного перекоса фазы, нужно применить частичное включение контура без дополнительного перекоса фазы через два симметричных отвода от катушки индуктивности. Такой генератор излучает одну частоту и имеет наибольший запас устойчивости по фазе (± 90°).

Далеко не полный список устройств, в которых применяются генераторы сигналов:

Устройства, имеющие в своём составе генератор сигналов, потенциально способны создавать электромагнитные помехи другим электронным устройствам, поэтому при их разработке и эксплуатации приходится учитывать вопросы электромагнитной совместимости.

Виды цифровых генераторов

В данной статье я хочу сделать краткий обзор разных методов генерации частоты, но сначала я расскажу пару слов о себе. Это моя первая статья. Я аспирант Московского Энергетического Института. Обучался по специальности «Метрология стандартизация и сертификация». Эта статья писалась в первую очередь для себя, с целью разобраться какие есть доступные методы генерации сигнала, и так как я не нашел выжимку информации в одном месте, то решил сделать ее сам и опубликовать ее здесь. Все это делается в самообразовательных целях. С радостью приму в личной почте замечания по тексту, по сути и по стилю, и отвечу на все интересующие вас вопросы в комментариях. Статью пробовал писать максимально доступным и простым языком. Итак виды, а скорее даже методы генерации синусоидального (и вообще аналогового) сигнала. Первый из них называется прямой цифровой синтез, или Direct Digital Synthesis.

Синусоидальный сигнал есть, по сути, решение уравнения Y= Sin(X), при линейно изменяющемся значении аргумента X. Для получения цифрового сигнала из микроконтроллера нам необходимо подать значения функции на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Это значит, что для получения синусоидального сигнала, нам необходимо знать значения функции Y при каждом значении аргумента X (по сути X определяет значение фазы сигнала). Можно вычислять все значения функции прямо в микроконтроллере, но для обеспечения высокой точности вычисляемых значений необходим высокопроизводительный процессор, или модуль для работы с плавающей точкой. Вычисление значений в микроконтроллере может занять продолжительное время, поэтому для обеспечения быстроты вычисления берут готовые значения функции и загружают их в память. Для обеспечения плавности выходного сигнала, для уменьшения погрешности связанной с нелинейностью характеристики цифроаналогового преобразователя, необходимо как можно большее количество значений синуса. Таким образом, в памяти будут готовые отсчеты синуса. Для того чтобы эти отсчеты превратились в синус, их нужно каким-то образом растянуть по времени, чтобы каждый отсчет подавался на ЦАП через определенный промежуток времени после предыдущего. Для этого необходим генератор опорной частоты. Такой генератор будет выдавать импульсы постоянной скважности. Эти импульсы, в простейшем случае, поступают на счетчик, а счетчик в свою очередь выдает на выходе последовательность возрастающих кодов. Код на выходе счетчика будет указывать на адрес очередного отсчета в памяти (ПЗУ). П ЗУ соответственно кодам выдает на своем выходе значения функции, содержащиеся в памяти по этим адресам, которые передаются в ЦАП и на выходе ЦАПа будет синус с идеальной частотой. Частота синуса будет соответствовать частоте тактового генератора. Для обеспечения перестройки по частоте нужно каким-либо образом регулировать частоту опорного генератора. В простейшем случае между счетчиком и генератором ставят делитель частоты. Такой делитель позволяет перестаивать частоту в определенных пределах. Предел перестройки зависит от разрядности сумматора и частоты опорного генератора. Перестройка в таком случае будет возможна только на определенные значения, так как деление возможно только на числа, кратные 2.

Простейшая схема такого генератора показана на рисунке 1. В его состав входит генератор опорной частоты (G). Делитель, в который загружается код частоты (коэффициент деления), счетчик (СТ), ПЗУ, ЦАП и фильтр. Фильтр в данном случае необходим для того, чтобы сглаживать цифровой сигнал на выходе. Ц АП – цифровое устройство, которое выдает только определенный уровень сигнала. Чем меньше частота дискретизации, тем более ярко выражена ступенчатая характеристика выходного сигнала. Для того чтобы убрать погрешность, вносимую частотой дискретизации, на выходе применяется фильтр сигналов. В простейшем случае, это простая RC-цепочка, но необходимо учитывать скоростные характеристики ЦАП, так как на высоких частотах может отфильтровываться полезный сигнал.

Здесь рассмотрена самая простая схема DDS. Многие элементы в ней можно заменить и доработать. Например, если заменить счетчик на более сложное устройство, т.н. аккумулятор фазы, то у нас появятся больше возможностей, таких как перестройка по частоте без фазового сдвига или, например, возможность использовать четверть периода значений синуса, вместо полного периода, но в рамках данной статьи такие усложнения рассматриваться не будут.

Сейчас DDS выполняются как отдельные микросхемы. В такую микросхему достаточно загрузить параметры нужного сигнала и подключить генератор опорной частоты, а на выходе мы получим цифровую синусоиду, которую достаточно лишь отфильтровать с заданными параметрами. Такие генераторы позволяют получать частоту до 1.4 ГГц. У них в свою очередь есть один недостаток. Генераторы прямого цифрового синтеза чаще всего используются именно как генераторы частоты, поэтому амплитуда выходного сигнала не стабильна.

Другим способом генерации сигнала синусоидальной формы с помощью контроллера, является метод ШИМ + пассивный RC фильтр. Ш ИМ – широтно-импульсная модуляция. Она позволяет, регулируя скважность импульсов, получать нужную постоянную амплитуду сигнала. Чем шире импульс, тем выше выходное напряжение на фильтре. Напряжение можно менять в пределах от нуля до напряжения питания.

Таким образом, если задать определенную программу для регулирования скважности импульсов, то на выходе можно получить сигнал любой формы, в том числе синусоидальный. В самом простом случае схема показана на рисунке 2.

Такой генератор является дешевым, и самое главное наиболее легко реализуемым способом преобразования цифрового сигнала в аналоговый с помощью микроконтроллера. Он не требует специальных микросхем или каких-либо сложных схемотехнических решений. Единственное, что необходимо при создании такого генератора, это расчет выходного фильтра на заданную частоту среза, чтобы он не срезал полезный сигнал. Правда, достигнуть высоких метрологических характеристик на таком генераторе невозможно, так как трудно добиться низкого коэффициента гармонических искажений. Низкий уровень гармонических искажений можно достичь с помощью еще одного варианта генератора.

Третий вариант генератора основывается на схеме, которая называется «мост Вина». Суть этой схемы в том, что используется усилитель с двумя RC-цепочками в обратной связи. Одной последовательной и одно параллельной. Схема такого генератора представлена на рисунке 3.

Для данной схемы необходимо учесть то, что элементы в RC-цепочке должны быть строго одинаковыми. Иначе схема не будет стабильной. Для уменьшения этих эффектов применяют разные хитрости, например автоматическое управление усилением и другие хитрости. В простейшем случае автоматическое управление осуществляется каким-либо нелинейным элементом, например лампочкой. Но перестройка такого генератора по частоте затруднена. Нужно использовать переменные конденсаторы, что усложняет схему еще на порядок. Такой метод хорош, но в основном для генерации какой-либо определенной частоты, либо частоты с малым диапазоном регулировки.

Существуют разные варианты и модификации представленных выше схем. Кроме этих схем существуют аналоговые решения, которые не были здесь описаны из-за несоответствия тематике статьи. В заключении хочу сказать, что каждая схема должна выбираться и прорабатываться возможная ее реализация в зависимости от задачи, которую необходимо выполнить. Передо мной стоит задача создать прецизионный генератор синусоидального сигнала, который может одновременно выдавать высокостабильный синусоидальный сигнал и добавлять в сигнал гармоники более высокого порядка. Для выполнения этой задачи наилучшим выходом будет расчет значений функции синуса непосредственно в микроконтроллере с передачей значений на ЦАП. Такая реализация позволит мне учесть недостатки каждой схемы и проработать техническую реализацию, необходимую конкретно для моей задачи. Можно одновременно сделать стабильную амплитуду, убрать гармонические искажения, вносимые особенностью схемы и получить довольно стабильный генератор. И конечные погрешности будут зависеть только от того, какие элементы будут выбраны, и какая степень упрощения алгоритма взята. Таким образом, при неизменности основной структуры, можно получить гибкое решение определенного класса задач.

Если вас интересует какой-либо материал на схожую тему, или вообще что-то из сферы измерительных приборов и их проектирования, то я бы мог попробовать написать какой-либо материал, чтобы осветить ваш вопрос в более простом и понятном ключе