Разработка более сложных цифровых устройств

Разработка генератора аналоговых сигналов

Цифровые генераторы (или, как их еще называют, синтезаторы) аналоговых сигналов произвольной формы часто используются при отладке различных аналоговых и аналого-цифровых устройств и систем. Они позволяют не только получить сигналы разных стандартных и нестандартных форм, но и обеспечить высокую точность задания амплитуды и частоты сигнала, не достижимые в случае обычных аналоговых генераторов. Цифровые генераторы работают обычно под управлением компьютеров или контроллеров, что обуславливает большие удобства пользователя и широкие возможности по заданию разнообразных форм сигналов и по их хранению.

Мы будем разрабатывать довольно простой генератор, рассчитанный на звуковой диапазон частот выходного сигнала 20 Гц ... 20 кГц (период от 50 мкс до 50 мс). Генератор должен формировать сигналы произвольной формы с амплитудой, задаваемой управляющим кодом. Генератор должен работать в режиме автоматической (периодической) генерации, а также в режиме разовой генерации с остановкой генерации после окончания одного периода выходного сигнала. Управление работой генератора должно быть полностью цифровым.

Отметим, что в реальности сигналы сложной формы, как правило, бывают низкочастотными. Они встречаются, например, при виброиспытаниях, в медицинской технике, в сейсмической технике и т.д. Высокочастотные сигналы обычно имеют довольно простую форму, например, синусоидальную. Поэтому наш простой генератор, рассчитанный на невысокие частоты, будет, тем не менее, удовлетворять требованиям довольно широкого спектра применений.

Разработку генератора мы начнем "с конца", то есть с того выходного сигнала, который он должен формировать.

Как уже отмечалось в "Применение ЦАП и АЦП" , выходной сигнал ЦАП UЦАП представляет собой ступенчатую функцию, которую можно представить в виде суммы идеального ("гладкого") аналогового сигнала U_ВЫХ и пилообразного сигнала помехи U_ПОМ (рис. 15.9).

Сигнал помехи U_ПОМ имеет основную частоту, равную частоте поступления входных кодов на ЦАП. Для сглаживания ступенек выходного сигнала ЦАП и приближения его к идеальному сигналу U_ВЫХ можно применить простой аналоговый фильтр низкой частоты (ФНЧ), который должен существенно ослаблять сигнал помехи, но не ослаблять полезный выходной сигнал генератора. В примере на рис. 15.9 частота полезного сигнала в 16 раз меньше частоты сигнала помехи, поэтому задача фильтрации не слишком сложна. Однако от генератора сигналов произвольной формы может понадобиться синтез выходных сигналов с крутыми фронтами (например, прямоугольных или пилообразных сигналов). В этом случае применение такого выходного фильтра низкой частоты может исказить выходные сигналы, затянув их фронты. Поэтому целесообразно предусмотреть два выхода генератора: один с низкочастотной фильтрацией, а другой без нее.

Рис. 15.9. Цифровая генерация аналогового сигнала

Помимо фильтра низкой частоты, выходной узел генератора сигналов должен содержать схему задания амплитуды выходного сигнала. В случае использования оперативной памяти для хранения кодов выборок выходного сигнала, схема задания амплитуды может и отсутствовать. При этом в память необходимо заносить коды выборок сигнала с нужной амплитудой. Однако такой подход не слишком удобен, так как он требует пересчета всех кодов выборок для каждой новой амплитуды сигнала выбранной формы. Гораздо удобнее сделать так, чтобы в памяти всегда хранились коды выборок сигнала с максимально возможной амплитудой, а выходной сигнал с ЦАП ослаблялся управляемым аттенюатором в нужное количество раз.

В результате схема выходного узла генератора аналоговых сигналов будет включать в себя еще и управляемый аттенюатор, рассмотренный в разделе 7.1 (рис. 15.10).

Рис. 15.10. Схема выходного узла генератора

Аналоговый фильтр нижней частоты должен иметь коэффициент передачи в полосе пропускания, равный единице и частоту среза, обеспечивающую эффективное подавление сигнала помехи. Тип схемы фильтра и его порядок не слишком важны. Для удобства пользователя целесообразно сделать фильтр неинвертирующим, чтобы выходные сигналы на обоих выходах генератора ( U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2 ) были одной полярности. Аттенюатор управляется 8-разрядным кодом амплитуды, что обеспечивает коэффициент деления сигнала от 1/256 до 1. Если амплитуда исходного сигнала U_ЦАП равна 10 В, то амплитуда выходного сигнала ( U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2 ) может быть задана с точностью около 40 мВ. Увеличение разрядности кода амплитуды потребовало бы принятия специальных мер, так как слишком малые аналоговые сигналы сильно искажаются шумами и помехами по цепям питания. ЦАП необходимо применять умножающий с биполярным выходом, чтобы обрабатывать как положительные, так и отрицательные выходные сигналы.

Теперь переходим к проектированию собственно цифровой части генератора.

Как уже отмечалось ранее, основной узел генератора должен представлять собой буферную оперативную память с периодическим режимом работы. Причем буфер этот должен быть однонаправленным. Перед началом работы в буфер заносится массив кодов выборок синтезируемого сигнала, а во время работы генератора адреса памяти опрашиваются в нужном темпе, и выходные коды памяти подаются на ЦАП, формирующий аналоговый сигнал U_ЦАП. Проблема состоит в выборе нужного объема памяти и в способе перебора адресов для обеспечения нужной частоты выходного сигнала. Память может также быть постоянной (ПЗУ), если необходимо формировать одну или несколько постоянных форм сигналов. В этом случае операция записи в память исключается, но проблема выбора способа перебора адресов памяти остается.

Существует два основных способа перебора адресов памяти генератора аналоговых сигналов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Рис. 15.11. Опрос памяти с помощью двоичного счетчика

Первый, простейший способ предусматривает перебор адресов памяти генератора с помощью обычного двоичного счетчика. В данном случае, опрашиваются все адреса памяти подряд. Изменение частоты аналогового выходного сигнала генератора производится с помощью изменения тактовой частоты этого счетчика, для чего используется тот или иной управляемый делитель частоты опорного кварцевого генератора (рис. 15.11). Частота выходного сигнала будет определяться при таком решении по формуле f_вых = f_Г/(N2ⁿ), где f_Г — частота задающего кварцевого генератора, N — управляющий код делителя частоты, n — разрядность счетчика (разрядность шины адреса памяти).

Главное достоинство данного подхода состоит в том, что при изменении частоты выходного сигнала не меняется точность воспроизведения формы выходного сигнала. Ведь точность воспроизведения формы аналогового сигнала зависит в первую очередь от количества выборок, приходящихся на период выходного сигнала, а здесь оно постоянно и равно количеству адресов памяти. Например, если память имеет 1К адресов, то выходной сигнал при любой частоте будет задаваться с помощью 1024 точек, и он всегда будет иметь 1024 ступеньки.

Однако данное решение имеет и серьезные недостатки. Основной его недостаток состоит в том, что частота сигнала помехи в данном случае прямо пропорциональна частоте выходного аналогового сигнала генератора (она больше частоты выходного сигнала во столько раз, сколько адресов имеет память). Например, при 1К адресов памяти частота сигнала помехи в 1024 раз больше частоты выходного сигнала, и при изменении частоты выходного сигнала в 1000 раз также в 1000 раз будет изменяться частота сигнала помехи. Отфильтровать такую помеху переменной частоты чрезвычайно трудно, если не невозможно, так как требуется применение фильтра с частотой среза, изменяемой в очень широких пределах.

Другой существенный недостаток данного метода связан с высокими требованиями к быстродействию ЦАП. Например, если максимальная частота выходного аналогового сигнала генератора должна быть 20 кГц, а память имеет 1К адресов, то ЦАП должен успевать работать с частотой более 20 МГц, то есть иметь время установления менее 50 нс. При большей частоте выходного сигнала и при большем объеме памяти требования к быстродействию ЦАП будут еще выше. И с такой же скоростью должна работать буферная память, то есть требования к быстродействию памяти также велики.