2. Функциональный генератор

Ф

-0,2... 2000

ункциональный генератор, примененный в измерительном блоке, должен обладать рядом специфических характеристик. К числу основных характеристик генератора необходимо отнести следующие:

общий диапазон частот генератора, Гц

у

ручное, автоматическое

правление частотой генератора

диапазон изменения частоты генератора

п

-2

ри внешнем автоматическом управлении,

декад, не менее

п

-0,01...10

ределы регулирования выходного напряжения

с

- 1000

игнала генератора, В

величина сопротивления нагрузки, Ом, не менее

доделать!!!!!!!!!!

Приведенные выше характеристики позволяют реализовать требования к измерительному блоку, сформулированные в разделе 3. Дополнительное требования по управлению частотой генератора аналоговым сигналом 0,1... 10 В было выдвинуто при проработке системы. Выполнение этого требования обеспечивает полную совместимость проектируемого генератора с промышленной виброизмерительной аппаратурой фирм Bruel&Kjaer, RFT, Hewlett-Packard и др., что позволяет включить в дальнейшем в состав измерительной системы приборы упомянуты фирм. Большое количество таких приборов находится в настоящее время в эксплуатации на предприятиях и обеспечение возможности работы измерительного блока совместно с этими приборами существенно расширяет область применения проектируемой системы.

В номенклатуре ведущих фирм не обнаружено функционального генератора, подходящего по характеристикам для проектируемой измерительной системы, в особенности в части универсальности управления и требуемого диапазона выходных сигналов.

Кроме того, промышленные функциональные генераторы (фирма Н&Р, ESCORT, В&К), имеющие более или менее приемлемые технические характеристики для применения

в разрабатываемом устройстве, обладают неприемлемыми для переносной аппаратуры габаритами и высокой стоимостью (минимально порядка тысячи долларов).

К настоящему времени существуют технические решения, позволяющие построить подобный упрощенный функциональный генератор.

Построение такого генератора может быть осуществлено как на базе аналоговой, так и цифровой техники. Рассмотрение обоих методов построения функциональных генераторов приводит к следующим выводам.

Цифровая генерация испытательных сигналов с требуемыми параметрами требует применения довольно сложных технических решений. Основное затруднение состоит в получении сигнала с малыми шагами по амплитуде в широком диапазоне частот (две декады) и связанными с этим трудностями выполнения выходных фильтров генератора. Для получения такого устройства с приемлемыми характеристиками приходится прибегать к существенному усложнению схемы и алгоритмов управления (разбиение сигнала на большое количество узких поддиапазонов с соответствующими каждому диапазону постоянными времени выходных фильтров генератора) [7,37].

Кроме указанного оказывается также затруднительным построение цифрового генератора с требуемой дискретностью перестройки по частоте. В частности, при использовании микроконтроллера с тактовой частотой 20 МГц, дискретность изменения длительности шага задания частоты генерируемого сигнала составляет в лучшем случае 400 не. При использовании на выходе контроллера ЦАП разрядностью всего 8 бит кривая генерируемого напряжения имеет 256 участков. При верхней частоте сигнала 2000 Гц, то есть его периоде Т=500 мкс, каждый шаг АЦП будет производиться за время АТ=2 мкс. Таким образом, дискретность изменения частоты 5-t/AT на верхнем пределе диапазона частоты генератора будет составлять около 20% от генерируемой частоты, что недопустимо. Даже при частоте генерируемого сигнала 200 Гц, дискретность перестройки по частоте будет составлять около 2%, то есть 4 Гц, что также может оказаться неприемлемым, например при исследовании элементов, имеющих проходную характеристику типа колебательного звена с малым коэффициентом демпфирования.

Некоторое улучшение характеристик такого генератора может быть получено при использовании высокочастотных ШИМ-модуляторов, входящих в состав микросхемы С167. Дискретность перемещения фронта ШИМ составляет для этой микросхемы 50 не, что позволит получить разрешение по частоте порядка 5% (для частоты 2000 Гц). Одновременно такое решение упрощает построение выходных фильтров генератора. Однако, при таком построении генератора, кроме ЦАП с элементами формирования выходного напряжения и фильтрации, потребуется также входной АЦП с дискретностью не менее 12 разрядов (для обеспечения ручной или автоматической перестройки частоты аналоговым сигналом с дискретностью порядка 5%).

Применение готовых схем генераторов на базе вставных ISA-плат или готовых звуковых плат позволяет построить генератор с требуемыми характеристиками, однако требует сложных конструкций интерфейса и оказывается в конечном итоге весьма дорогим.

В аналоговой технике стандартным решением при построении таких устройств является применение замкнутой схемы двойного интегратора, образующей так называемое “консервативное” звено с управлением постоянными времени интегрирования от внешнего источника управляющего сигнала (с использованием схем перемножения в качестве управляемых резисторов). Такие устройства сложны сами по себе и требуют, кроме того, дополнительных систем стабилизации амплитуды [23].

Проверка готовой микросхемы генератора (МАХ038) показала, что она имеет значительные искажения выходного синусоидального сигнала, в особенности на низких частотах, и не допускает автоматического перекрытия частотного диапазона больше, чем на 1,5 декады.

Для проектируемого генератора был выбран простой и отработанный на практике метод генерации треугольного сигнала с последующим его преобразованием.

Устройство использует метод генерирования испытательного сигнала, основанный на непосредственном интегрировании управляющего сигнала постоянного тока. Такое устройство должно содержать инвертор для образования симметричного отрицательного значения входного сигнала, интегрирующий элемент и компаратор, сравнивающий значения выходного сигнала интегратора с заданным значением амплитуды. Компаратор должен действовать на перебрасывание электронного переключателя, поочередно подающего на вход интегратора управляющие сигналы противоположной полярности [37].

Такая схема позволяет генерировать сигналы треугольной формы (на выходе интегратора) или прямоугольной формы (на выходе компаратора), причем частота генерации при правильно выбранных элементах схемы будет прямо пропорциональна напряжению управляющего сигнала.

Для построения функционально законченного устройства к такой схеме следует добавить формирователь синусоидального напряжения (из треугольного), а также устройство, преобразующее сигналы стандартного интерфейса ПЭВМ в постоянное управляющее напряжение. Блок-схема такого генератора приведена на 4.2.

Такое исполнение генератора оказывается схемотехнически гораздо более простым,

чем описанные выше стандартные схемы выполнения генераторов. Вместе с тем такая схема гарантирует высокую линейность управления частотой генератора, а также стабильность его выходного напряжения при изменении частоты. При этом диапазон автоматической перестройки частоты в этой схеме может быть достигнут равным 2-3 декады без особых сложностей. Некоторым недостатком такой схемы можно считать более высокий коэффициент гармоник измерительного напряжения, чем в аналоговой схеме с двойным интегрированием (порядка нескольких процентов). Однако, для целей измерений частотных характеристик, содержание высших гармоник, обычно третьей, в пределах 3-5 процентов оказывается вполне допустимым.