В этой статье я хочу дать краткий обзор различных методов генерации частоты, но сначала расскажу несколько слов о себе.
Это моя первая статья.
Я учусь в аспирантуре Московского энергетического института.
Обучался по специальности «Метрология стандартизации и сертификации».
Данная статья написана в первую очередь для себя, чтобы понять, какие есть доступные способы генерации сигнала, и так как краткой информации в одном месте я не нашел, то решил сделать это сам и опубликовать здесь.
Все это делается в целях самообразования.
Буду рад получить комментарии по тексту, сути и стилю в личную почту, а на все ваши вопросы отвечу в комментариях.
Статью я постарался написать максимально доступным и простым языком.
Итак виды, а точнее даже способы формирования синусоидального (и вообще аналогового) сигнала.
Первый из них называется прямым цифровым синтезом, или прямым цифровым синтезом.
Синусоидальный сигнал, по сути, является решением уравнения Y= Sin(X), с линейно изменяющимся значением аргумента X. Чтобы получить цифровой сигнал от микроконтроллера, нам необходимо подать значения функции в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Это означает, что для получения синусоидального сигнала нам необходимо знать значения функции Y для каждого значения аргумента X (фактически X определяет значение фазы сигнала).
Вычислить все значения функции можно непосредственно в микроконтроллере, но для обеспечения высокой точности вычисляемых значений необходим высокопроизводительный процессор или модуль с плавающей запятой.
Вычисление значений в микроконтроллере может занять длительное время, поэтому для обеспечения быстрых вычислений берут готовые значения функций и загружают их в память.
Для обеспечения плавности выходного сигнала, уменьшения погрешности, связанной с нелинейностью характеристики цифро-аналогового преобразователя, необходимо как можно больше значений синуса.
Таким образом, в памяти останутся готовые отсчеты синуса.
Чтобы эти сэмплы превратились в синус, их нужно как-то растянуть во времени, чтобы каждый семпл подавался на ЦАП через определенный промежуток времени после предыдущего.
Для этого необходим генератор опорной частоты.
Такой генератор будет производить импульсы постоянной скважности.
Эти импульсы в простейшем случае поступают на счетчик, а счетчик, в свою очередь, выдает последовательность возрастающих кодов.
Код на выходе счетчика будет указывать на адрес следующей выборки в памяти (ПЗУ).
ПЗУ согласно кодам выдает на свой выход значения функций, содержащиеся в памяти по этим адресам, которые передаются в ЦАП и на выходе ЦАП будет синусоидальный сигнал с идеальной частотой.
Частота синуса будет соответствовать частоте тактового генератора.
Чтобы обеспечить перестройку частоты, нужно каким-то образом регулировать частоту опорного генератора.
В простейшем случае между счетчиком и генератором ставится делитель частоты.
Такой делитель позволяет изменять частоту в определенных пределах.
Предел настройки зависит от емкости сумматора и частоты опорного генератора.
В этом случае реструктуризация будет возможна только по определенным значениям, поскольку деление возможно только на числа, кратные 2. 
Простейшая схема такого генератора представлена на рисунке 1. В ее состав входит генератор опорной частоты (Г).
Делитель, в который загружаются частотный код (коэффициент деления), счетчик (СТ), ПЗУ, ЦАП и фильтр.
Фильтр в данном случае необходим для того, чтобы сгладить цифровой сигнал на выходе.
ЦАП — это цифровое устройство, которое выводит сигнал только определенного уровня.
Чем ниже частота дискретизации, тем более выражена ступенчатая характеристика выходного сигнала.
Для устранения ошибки, вносимой частотой дискретизации, на выходе применяется фильтр сигнала.
В простейшем случае это простая RC-цепочка, но необходимо учитывать скоростные характеристики ЦАП, так как полезный сигнал может отфильтровываться на высоких частотах.
Здесь мы рассмотрим простейшую схему DDS. Многие элементы в нем можно заменять и модифицировать.
Например, если заменить счетчик на более сложное устройство, т. н.
аккумулятора фазы, то у нас будет больше возможностей, таких как перестройка частоты без сдвига фазы или, например, возможность использовать четверть периода синусоидальных значений вместо полного периода, но такие усложнения не будут рассматриваться в рамках объем этой статьи.
В настоящее время DDS реализованы в виде отдельных микросхем.
В такую микросхему достаточно загрузить параметры нужного сигнала и подключить генератор опорной частоты, и на выходе мы получим цифровую синусоида, которую нам нужно только отфильтровать с заданными параметрами.
Такие генераторы позволяют получать частоты до 1,4 ГГц.
Они, в свою очередь, имеют один недостаток.
В качестве генераторов частоты чаще всего используются генераторы прямого цифрового синтеза, поэтому амплитуда выходного сигнала нестабильна.
Другой способ генерирования синусоидального сигнала с помощью контроллера — метод ШИМ + пассивный RC-фильтр.
ШИМ – широтно-импульсная модуляция.
Он позволяет, регулируя скважность импульсов, получить нужную постоянную амплитуду сигнала.
Чем шире импульс, тем выше выходное напряжение на фильтре.
Напряжение можно изменять от нуля до напряжения питания.
Таким образом, если задать определенную программу регулирования скважности импульсов, то на выходе можно получить сигнал любой формы, в том числе синусоидальной.
В простейшем случае схема показана на рисунке 2. Такой генератор – дешевый, а главное, наиболее простой в реализации способ 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 рассчитать выходной фильтр на заданную частоту среза, чтобы он не отсекал полезный сигнал.
Правда, с таким генератором невозможно добиться высоких метрологических характеристик, так как трудно добиться низкого коэффициента гармонических искажений.
Низких уровней гармонических искажений можно добиться, используя другой вариант генератора.
Третий вариант генератора основан на схеме под названием «мост Вина».
Суть данной схемы в том, что используется усилитель с двумя RC-цепями обратной связи.
Один последовательный и один параллельный.
Схема такого генератора показана на рисунке 3. 
Для данной схемы необходимо учитывать, что элементы в RC-цепи должны быть строго идентичными.
В противном случае схема не будет устойчивой.
Чтобы уменьшить эти эффекты, используются различные хитрости, такие как автоматическая регулировка усиления и другие хитрости.
В простейшем случае автоматическое управление осуществляется каким-нибудь нелинейным элементом, например лампочкой.
Но настроить такой генератор по частоте сложно.
Приходится использовать конденсаторы переменной емкости, что усложняет схему на порядок.
Этот метод хорош, но в основном для генерации определенной частоты или частоты с небольшим диапазоном регулировки.
Существуют разные варианты и модификации приведенных схем.
Помимо этих схем существуют аналоговые решения, которые здесь не были описаны из-за несоответствия теме статьи.
В заключение хочу сказать, что каждую схему необходимо выбирать и прорабатывать ее возможную реализацию в зависимости от задачи, которую необходимо решить.
Моя задача — создать прецизионный генератор синусоидальных сигналов, который сможет одновременно генерировать высокостабильный синусоидальный сигнал и добавлять к нему гармоники более высокого порядка.
Для реализации этой задачи лучшим решением будет вычисление значений функции синуса непосредственно в микроконтроллере и передача значений в 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 достаточно стабильный генератор.
И итоговые ошибки будут зависеть только от того, какие элементы выбраны и какая степень упрощения алгоритма принята.
Таким образом, сохраняя базовую структуру неизменной, можно получить гибкое решение определенного класса задач.
Если вас интересует какой-либо материал на подобную тему или вообще что-то из области средств измерений и их конструкции, то я мог бы попытаться написать какой-нибудь материал, чтобы более просто и понятно осветить ваш вопрос.
Источники: 1. DDS: прямой цифровой синтез частот. Автор: Ридико Л.
И.
[Ээлектронный ресурс]: Статья – http://www.digit-el.com/files/articles/dds.pdf — 25.12.2013 2. Генератор испытательных сигналов с низким уровнем гармоник на мосту Вина [?Электронный ресурс]: Статья - http://myelectrons.ru/wien-bridge-oscillator-low-thd/ — 26.12.2013 Теги: #Сделай сам или сделай сам #Метрология #dds #dsvs #цифровой вычислительный синтезатор #винный мост #генератор ШИМ #Прямой цифровой синтез #прямой цифровой синтез
-
Синглтон-Вариант Java
19 Oct, 24 -
Реанимация Роутера Tp-Link 3020
19 Oct, 24 -
Gitimmersion — Курс По Основам Git
19 Oct, 24 -
Пользовательские Теги
19 Oct, 24
