Генератор сигналов произвольной формы. Простой цифровой генератор сигналов произвольной формы. Пользовательский интерфейс, управление генератором и отображение режимов

Генератор сигналов произвольной формы. Простой цифровой генератор сигналов произвольной формы. Пользовательский интерфейс, управление генератором и отображение режимов
Генератор сигналов произвольной формы. Простой цифровой генератор сигналов произвольной формы. Пользовательский интерфейс, управление генератором и отображение режимов
27.10.2019

Зачем нужны генераторы сигналов произвольной формы

При тестировании различных систем их разработчики должны исследовать поведение системы при подаче на ее вход как стандартных сигналов, так и сигналов, имеющих различные отклонения от нормы. В реальных условиях работы на систему могут действовать помехи, искажающие форму сигнала, и разработчику необходимо знать, как поведет себя устройство при тех или иных искажениях. Для этого ему необходимо либо моделировать помеху при прохождении стандартного сигнала, либо подать на вход искаженный сигнал, полученный при помощи генератора сигналов произвольной формы (ГСПФ). Первый путь гораздо длительнее и дороже, поэтому чаще всего используется второй путь.

Генераторы сигналов произвольной формы используются также в случаях, когда для отладки и испытания устройств нужно подавать на их вход сигналы нестандартной формы, получение которых без использования таких генераторов крайне затруднено.

Концепция построения ГСПФ

В основе построения ГСПФ лежит синтез аналогового сигнала по его образу, записанному в ОЗУ генератора. Типовая структура ГСПФ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая структура генератора сигналов произвольной формы

Генератор фазового угла (ГФУ) генерирует периодическую линейно нарастающую последовательность адресов ячеек ОЗУ (фазу сигнала). Крутизна нарастания последовательности зависит от частоты, задаваемой блоком управления (БУ).

В соответствии с изменением адресов на входе ОЗУ, меняются и данные на его выходе. Последовательность выдаваемых данных образует цифровой образ генерируемого сигнала. Он преобразуется в аналоговую форму при помощи цифро-аналогового преобразователя, затем сигнал ослабляется в соответствии с заданной амплитудой, и в него вводится нужное постоянное смещение. После усиления получается выходной сигнал нужной формы, частоты, амплитуды, с требуемым постоянным смещением.

Технические характеристики генератора

  • Частота генерируемого сигнала 0,0001…22000 Гц

  • Амплитуда выходного сигнала 0…10 В

  • Постоянное смещение выходного сигнала -5…+5 В

  • Выходной ток до 100 мА

  • Количество отсчетов на период 8192

  • Температурная относительная нестабильность частоты менее 10 -5 1/

    ° С

  • Долговременная относительная нестабильность частоты менее 10 -5 1/1000 ч

  • Точность установки частоты 7* 10 -6 Гц

  • Напряжение питания 10…12 В

  • Потребляемая без нагрузки мощность 0,9 Вт

  • Габаритные размеры платы генератора 125x100x15 мм

Структура комплекса ГСПФ

Программно-аппаратный комплекс генерации сигналов произвольной формы состоит из собственно генератора, подключаемого к ЭВМ через последовательный порт RS-232C, и программы управления генератором, работающей под Windows 95/98, Windows NT 4.0.

Структура аппаратной части генератора

Аппаратная часть выполнена в соответствии со структурой, приведенной на рис. 1. Единственное отличие состоит в том, что блок управления разработанного генератора подключен через блок сопряжения к ЭВМ. Из ЭВМ при помощи программы управления задаются форма и другие параметры сигнала.

Блок управления генератором построен на базе микроконтроллера AT89C52. Он принимает от ЭВМ команды изменения параметров сигнала и выдает соответствующие команды другим блокам генератора. Кроме того, генератор имеет SPI-подобный интерфейс для подключения управляющего устройства, отличного от ЭВМ. Наличие такого интерфейса позволит использовать генератор в составе мобильного компактного комплекса для снятия частотных характеристик, разработка которого ведется в настоящий момент.

Блок управления принимает и устанавливает частоту, смещение и амплитуду сигнала. Данные о форме выходного напряжения также проходят через блок управления. Стандартные формы (пила, меандр, белый шум и синусоида) рассчитываются непосредственно микроконтроллером.

Усилитель сигнала построен на малошумящем операционном усилителе MAX427 и позволяет получить выходной ток до 100 мА. ЦАП постоянного смещения AD7943 – умножающий 12-разрядный ЦАП с последовательным вводом данных, позволяющий получить смещение сигнала в диапазоне от –5 В до +5 В с дискретностью 2,44 мВ. ЦАП амплитуды AD7943 – умножающий 12-разрядный ЦАП с последовательным вводом данных. Позволяет задавать амплитуду выходного сигнала в диапазоне от 0 до 10 В с дискретностью 2,44 мВ. ЦАП MX565A – быстродействующий 12-разрядный ЦАП с параллельным вводом данных. Время установления с точностью до половины младшего разряда не более 250 нс. ОЗУ UM6264 содержит цифровой образ формы. Форма хранится в виде 8192 12-разрядных отсчетов. Это позволяет получить выходной сигнал достаточно высокого качества. Генератор фазового угла построен на основе ПЛИС EPF8282 фирмы ALTERA. Структура, записываемая в ПЛИС, приведена на рис. 2.


Рис. 2. Структурная схема конфигурации ПЛИС

Схема может работать в трех режимах:

В режиме нормальной генерации (на входе Mode единица) регистр приращения фазы (РПФ) загружается из БУ значением, соответствующим частоте.

При нормальной генерации содержимое РПФ суммируется с младшими разрядами регистра фазы (РФ), и сумма записывается в РФ по приходу SI . Тринадцать старших разрядов РФ подаются на адресные входы блока ОЗУ. Таким образом, частота переполнения РФ соответствует частоте генерируемого сигнала.

При ждущем режиме (на входе Mode ноль) ГФУ ожидает прихода стробирующего сигнала на вход Strob . По приходу этого сигнала генерируется сигнал с начальной фазы, записанной в регистре начальной фазы (РНФ), и до конца периода. После окончания периода ГФУ снова переходит в состояние ожидания строба.

При загрузке данных в ОЗУ они сначала последовательно записываются в регистр данных (РД), а затем, при подаче сигнала

InRAMOE , выставляются на входы данных блока ОЗУ. Это сделано для экономии числа используемых выводов микроконтроллера и упрощения топологии печатной платы.

Как видно из структуры ПЛИС, реализация такого операционного автомата на микросхемах малой степени интеграции потребовала бы большого количества разнотипных элементов (более 30 корпусов), что привело бы к увеличению габаритов и уменьшению надежности системы. Поэтому удобно применять ПЛИС.

Опытный образец генератора

Опытный образец был собран на двусторонней печатной плате размером 175

x 110 мм. Потребление опытного образца без нагрузки составляет 0.9 Вт.

Внешний вид опытного образца генератора приведен на рис. 3.

Рис. 3. Вид опытного образца платы генератора

Программа управления генератором

Двухканальный виртуальный цифровой генератор сигналов произвольной формы представляет собой 12-разрядный цифровой прибор в стандартном конструктиве приборов серии «USB-лаборатория АКТАКОМ», и выдает сигнал произвольной формы или сигнал одной из стандартных форм (синусоидальная, прямоугольная, треугольная и некоторые другие) по двум каналам одновременно. Задание формы и параметров сигналов производится пользователем с помощью компьютера независимо для каждого из каналов. Прибор имеет общий для обоих каналов вход внешней синхронизации для запуска генерации по внешнему событию. Генератор сигналов также вырабатывает выходной сигнал для синхронизации запуска других приборов.

Технические характеристики генератора сигналов

Общие характеристики
Количество выходных каналов 2
Форма выходных сигналов произвольная или стандартная
Выбор формы для обоих каналов независимый
ЦАП 12 бит
Максимальное число точек на канал 128 К
Отключаемый фильтр нижних частот 15 МГц
Максимальная частота оцифровки 80 МГц
Полоса частот по уровню 1% 0...10 МГц
Максимальный уровень выходного сигнала от пика до пика:
без дополнительного усилителя
с дополнительным усилителем (только для АНР-3122)
±2,5 В на нагрузке 50 Ом
±20 В на нагрузке 50 Ом
Шаг изменения напряжения выходного сигнала не более 2,5 мВ; 10 мВ с усилителем
Пределы изменения сдвига сигнала по вертикали ±2,5 В
Длительность фронта прямоугольного сигнала не более 20 нс
Частота дискретизации выбирается от 2,44 кГц до 80 МГц
Погрешность не более 10 -6 от выходной частоты
Синхронизация
Выбор режимов синхронизации
перезапуск однократный или непрерывный
источник внешний или ручной (внутренний)
полярность по восходящему или по спадающему фронту
Входной сигнал внешней синхронизации
форма прямоугольный импульс
амплитуда ТТЛ-уровень
длительность не менее 25 нс
Выходной сигнал синхронизации
форма прямоугольный импульс
амплитуда ТТЛ-уровень на нагрузке 1 кОм
длительность не менее 25 нс
Мощностные и конструктивные параметры
Питание 220 В, 50 Гц, не более 20 Вт
Габаритные размеры 260x210x70 мм
Масса не более 2,0 кг
Относительная влажность не более 90% при температуре 25°С
Атмосферное давление от 495 до 795 мм рт. ст.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ AKTAKOM ARBITRARY GENERATOR

НАЗНАЧЕНИЕ:

Приложение AKTAKOM Arbitrary Generator предназначено для полнофункционального управления поддерживаемыми приборами, создания, редактирования и загрузки данных для генерации сигналов для двух каналов.

ВОЗМОЖНОСТИ:

Приложение обеспечивает обнаружение и составление списка доступных к работе модулей генераторов сигналов, подключённых к компьютеру локально (по интерфейсу USB) или через сеть Ethernet/Internet; инициализацию и тестирование выбранного экземпляра прибора.

Приложение обеспечивает управление всеми параметрами, доступными для настройки этого типа аппаратуры (см. описание поддерживаемых приборов) и запись данных, задающих форму сигнала, в память генератора сигналов. Данные формы сигнала могут задаваться пользователем графически, в виде математической формулы (есть встроенный калькулятор формул) или двоичной последовательности: выбраны из списка стандартных сигналов (синус, прямоугольник, треугольник, пила, вспышка, импульс) или быть загружены из ранее сохранённого файла независимо для каждого канала.

Также приложение позволяет задавать форму сигналов для двух каналов одновременно в виде параметрической кривой, т.е. в виде двухмерной фигуры Лиссажу (функция «Лазерное шоу»).

Приложение содержит встроенный модуль анализа для подготовленных к генерации сигналов. В функции модуля анализа входят:

  • виртуальный осциллограф (показывает форму генерируемых сигналов с учётом ограничений аппаратуры);
  • автоматическое измерение параметров импульса;
  • спектральный анализ сигналов;
  • функции вольтметра и измерителя сдвига фаз.

Приложение позволяет пользователю вручную настроить цвета элементов графика и толщину линий осциллограмм или загрузить эти настройки из ранее сохранённых файлов цветовых схем. Размер и расположение всех окон приложения также могут настраиваться пользователем. Все настройки программы могут быть записаны в файл конфигурации и затем загружены.

Минимальные требования к компьютеру

  • Порт USB 1.1;
  • Установленная операционная система Windows XP, Windows 7, Windows 8;
  • Видеосистема VGA (разрешение 640x480, 256 цветов), рекомендуется разрешение 800x600 или более, 24-битный цвет;
  • Для использования звуковых сообщений программы необходимы звуковая плата и аудиосистема;
  • Для использования всех возможностей программы мы рекомендуем использование процессора не менее Pentium II 400 и ОЗУ объёмом не менее 32 Мб.

Стандартная комплектация

** Полное руководство по эксплуатации в стандартной поставке не имеет физического носителя и может быть загружено сайта , после приобретения и регистрации прибора с указанием его серийного номера.

  • Программное обеспечение
    • AAG Aktakom Arbitrary Generator Программное обеспечение генератора сигналов произвольной формы
    • AUNLibUSB 1.2.6.0 Драйвер для виртуальных приборов USB лаборатории

Для загрузки программного обеспечения нажмите кнопку «Загрузить» или перейдите в раздел « » ->

Дополнительная комплектация

  • BNC кабель и
  • Программное обеспечение AHP-3121_SDK Полный комплект средств разработки ПО

Программное обеспечение в стандартной поставке не имеет физического носителя и может быть загружено на сайте в разделе « » после приобретения и регистрации прибора с указанием его серийного номера.

Для загрузки программного обеспечения нажмите кнопку «Загрузить» или перейдите в раздел « » -> « », затем авторизуйтесь, указав свой логин и пароль. Если Вы ранее не регистрировались на сайте , пройдите по ссылке «Зарегистрироваться» и укажите все необходимые данные.

В случае утраты программного обеспечения его загрузка осуществляется за дополнительную плату. Программное обеспечение может быть поставлено на физическом носителе (компакт-диске). Запись программного обеспечения на носитель (компакт-диск) и его доставка осуществляются за дополнительную плату.