Разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение……………………….……………………………………......….

1. Обзорная часть…………………………………………..……………...…
1. Основные понятия и виды генераторов сигналов …………………

2. Описание принципа работы генераторов на DDS………………….

2. Разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза ……………………………………………...

2.1. Анализ технического задания на разработку……………………….

2.2. Описание структурной схемы устройства………………………….

3. Описание элементной базы……………………………………………….
4. Построение и описание схемы электрической принципиальной………
5. Разработка печатной платы устройства………………………………….
1. Выбор среды разработки печатной платы………………………….

        5.2. Описание технологии производства печатной платы……………..

        5.3. Конструкторский расчет печатной платы………………………….

6. Расчетная часть……………………………………………………………

6.1 Расчет потребляемой  мощности……………………………………..

6.2 Расчет надежности……………………………………………………

7. Разработка программного обеспечение для МК……………………….

7.1. Описание среды  разработки…………………………………………

7.2. Разработка алгоритма  программы…………………………………..

8. Технико-экономическое обоснование проекта …………………………

8.1 Маркетинговое исследование рынка системы лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового

синтеза и актуальность ее разработки……………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

8.2. Расчёт трудоемкости и цены разработки ………………………….

8.3. Расчёт затрат на создание устройства …………………………….

9. Вопросы охраны труда и экологии……………………………………..

9.1 Охрана труда и техника безопасности на предприятиях производства……………………………………………………………………

9.2 Опасные и вредные факторы при производстве РЭА и меры защиты от них……………………………………………………………………

9.3 Техника безопасности при электромонтажных работах……………

9.4 Экологическая политика предприятия……………………………….

9.5 Вопросы экологии при производстве печатных плат………………

10. Заключение…………………………………………………………….….
11. Список литературы……………………………………………………….

 

Приложение А – Схема электрическая структурная лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

Приложение Б – Схема электрическая принципиальная лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

Приложение В – Чертеж печатной платы лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

Приложение Г – Алгоритм программы микроконтроллера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ                                                                 

 

В большинстве радиосистем источником высокостабильных колебаний являются синтезаторы частот. В настоящее время наиболее широко применяются синтезаторы, в которых используются метод прямого аналогового синтеза, метод фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, а так же цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС, DDS) на основе метода прямого цифрового синтеза.

Важными особенностями цифрового метода синтеза частот являются

возможность быстрого изменения параметров синтезируемого сигнала, высокое разрешение по частоте и фазе, наличие цифрового интерфейса для

управления. В основном у аналогичных приборов, выполненных на микроконтроллерах, диапазон генерируемых частот ограничен несколькими мегагерцами, а получение точного значения частоты невозможно. Описываемый в дипломном проекте генератор тоже содержит микроконтроллер, но использован он только для управления специализированной микросхемой — синтезатором частоты AD9833. Применение этой микросхемы позволило обеспечить генерацию сигнала с низким уровнем искажения и высокой стабильностью, а также расширению диапазона генерируемых частот от долей герца до несколько десятков МГц, в пределах которого можно получить любое значение частоты с точностью 0,1 Гц. По применению синтезаторы DDS делятся на две категории: разработчикам телекоммуникационных устройств требуются генераторы с мгновенной перестройкой частоты , с низким уровнем фазового шума и с низким уровнем гармоник и интермодуляционных составляющих. В таких случаях часто применяются синтезаторы DDS как обладающие хорошими характеристиками с точки зрения спектра выходного сигнала и высоким разрешением по частоте. В этих областях синтезаторы DDS применяются для модуляции сигнала, в качестве источников опорного сигнала для генераторов с петлей ФАПЧ, в качестве генераторов-гетеродинов, и даже для прямого синтеза радиосигнала.

 Другая категория  — это различные промышленные  и медицинские системы, где синтезаторы DDS используются в качестве программируемых генераторов. Так как синтезатор DDS программируется с помощью цифрового сигнала, фазой и частотой сигнала легко управлять без переключения внешних компонентов, которое требовалось бы в случае применения аналоговых генераторов. Синтезатор DDS позволяет легко перестраивать частоту в реальном времени для настройки на резонансную частоту или для компенсации температурного дрейфа. Синтезаторы DDS применяются в подобных случаях для измерения импеданса (например, при работе с датчиками, у которых изменяется импеданс), для генерации импульсных сигналов для стимуляции, или для измерения затухания в локальных сетях или в телефонном кабеле.

Целью дипломного проекта является разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза.

В первой главе  рассмотрены различные виды генераторов сигналов, принцип их работы, а также  метод прямого цифрового синтеза.

Во второй главе работы описана структурная схема лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза.

В третьей  главе приведена элементная база устройства.

В четвертой главе описана построение электрической принципиальной схемы лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза.

В пятой главе  рассмотрена среда разработки печатных плат и выбор технологии производства печатных плат, а также проведен конструкторский расчет печатной платы устройства.

В шестой главе  дипломного проекта проведен расчет надежности и электрической части устройства.

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 по работе над дипломным проектом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ

 

1. Основные понятия и виды генераторов 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:

1.1. 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

1.2. 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.

1.3.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)

1.4.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.

1.5.Генераторы, реализующие цифровые методы синтеза синусоидальных сигналов.

Существует довольно много методов синтеза синусоидальных сигналов цифровыми методами. Основными являются следующие методы:

1.Синтез 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.