4. Построение схемы электрической принципиальной

2.2 Описание принципиальной схемы устройства

Схема электрическая принципиальная приведена в приложении В, перечень элементов к ней – в приложении Е. Роль главного управляющего звена играет DD2 - микроконтроллер фирмы Microchip PIC16F877.

Рассмотрим подробнее принцип работы данного устройства.

Частота сигнала и его фаза задаются программным способом через ICSP интерфейс на DD2, подключенный на порты MCLR, VDD, GND, RB7, RB6.

SB1-SB6 – это клавиатура для управления работой микроконтроллера PIC16F877. Кнопки SB1-SB6 подключены к DD2 на порты RB0-RB5 соответственно. При нажатии на кнопки SB1-SB6 DD2 получает команды, далее по портам RD4-RD7, подключенным к разрядам HL через маломощные p-n-p транзисторы VT1-VT4, синхронизирует управление индикатором HL и, преобразовывая информацию, через порты RA0-RA5 и RE0-RE1 отправляет ее на вывода сегментов индикатора HL.

После этого микроконтроллер PIC16f877 формирует управляющий посыл в 16 бит

Последним этапом осуществляется передача сигнала в цифро-аналоговый преобразователь с помощью SPI интерфейса.

Схема генерирует синусоидальный сиг­нал с заданной частотой. Частота выходного сигнала определяется двумя параметрами: ча­стотой тактового сигнала и двоичным числом, записанным в регистр частоты. Это двоичное число, записанное в регистр частоты, подается на вход аккумулятора фазы. Если используется ПЗУ с табличными значе­ниями синуса, то аккумулятор фазы вычис­ляет адрес (соответствующий мгновенному значению фазы) и подает его на вход ПЗУ, при этом на выходе ПЗУ мы получаем теку­щее значение амплитуды в цифровом виде. Далее ЦАП преобразует это цифровое значе­ние в соответствующее значение напряжения или тока. Для генерации синусоиды с фикси­рованной частотой постоянная величина (приращение фазы, определяемое двоичным числом, записанным в регистр частоты) при­бавляется к значению, хранящемуся в акку­муляторе фазы, с каждым импульсом такто­вого сигнала. Если значение приращения ве­лико, аккумулятор фазы будет быстро пробегать всю таблицу синуса, хранящуюся в ПЗУ, и частота сигнала при этом будет вы­сока. Если значение приращения фазы ма­ло, аккумулятору фазы понадобится боль­ше шагов, чтобы пройти всю таблицу ПЗУ, и соответственно частота сигнала на выхо­де будет низкой.

Мгновенное значение фазы непрерывного синусоидального сигнала циклически изме­няется в диапазоне от 0 до 2π. Значение фазы генерируется в цифровом виде. Функция пе­реноса, которой обладает счетчик, позволяет реализовать непрерывное циклическое изменение величины фазы.

Аккумулятор фазы представляет собой счетчик по модулю М, значение которого уве­личивается с каждым приходом тактового им­пульса. Величина приращения задается дво­ичным числом М. Это число определяет ве­личину приращения значения фазы с каждым тактовым импульсом, в сущности, этим чис­лом определяется число пропущенных отсче­тов при движении по окружности. Чем боль­ше размер шага, тем быстрее происходит переполнение аккумулятора фазы и более коротким получается период синусоиды. Разрядностью аккумулятора фазы (n) опре­деляется общее число возможных значений фазы, что в свою очередь обусловливает раз­решение сетки частот синтезатора DDS. Для 28-разрядного аккумулятора фазы при М=0000...0001 аккумулятор будет перепол­няться после 2²⁸ циклов (тактовых импуль­сов). При М=0111…1111 аккумулятор фазы будет переполняться всего за 2 цикла (это ми­нимальное число циклов, удовлетворяющее критерию Найквиста). Эти соотношения опи­сываются следующей простой формулой:

f_out=(M·f_clk)/2ⁿ,

где:

f_out – частота выходного сигнала DDS;

M – двоичное число, определяющее частоту сигнала;

f_clk – частота сигнала тактирования;

n – разрядность аккумулятора фазы.

При изменении значения М частота на вы­ходе синтезатора меняется сразу и при этом сигнал не имеет разрывов. Здесь отсутствует переходный процесс захвата частоты, прису­щий генераторам с петлей ФАПЧ.

При увеличении выходной частоты число отсчетов на один цикл уменьшается. Так как теорема отсчетов требует наличия как мини­мум двух отсчетов на период для полного вос­становления выходного сигнала, максималь­ная частота синтезируемого сигнала DDS бу­дет составлять f_clk/2. Однако на практике частота синтезируемого сигнала ограничивается несколько меньшим значением, что способству­ет улучшению качества синтезируемого сиг­нала и облегчению его фильтрации.

При генерировании сигнала постоянной ча­стоты код на выходе аккумулятора фазы уве­личивается по линейному закону, что соответ­ствует линейному пилообразному аналогово­му сигналу.

Для получения сигнала в аналоговой форме к выходу DDS генератора необходимо подключить ЦАП, не оставляя без внимания следующие моменты:

1) На выходе ЦАП обязательно должен стоять низкочастотный фильтр, для фильтрации побочных гармоник сигнала.

2) Так как большинство ЦАП имеет неравномерную АЧХ вида sin(x)/x, в таких DDS генераторах обычно используют небольшой диапазон выходных частот, в котором АЧХ относительно линейна, либо используют фильтр с инверсной АЧХ.

3) Усечение фазы из-за использования в генераторе DDS только части старших разрядов аккумулятора фазы. Это вызвано экономией памяти для хранения таблицы значений синуса (например, для хранения 2³² значений отсчетов потребуется 4Г слов памяти). Усечение фазы приводит к погрешности уровня выходного сигнала, более того, данная погрешность периодична. Это добавляет в спектр выходного сигнала паразитные составляющие. Для уменьшения данного недостатка в DDS синтезаторы вводят псевдошумовую ошибку в код, полученный после усечения фазы. По крайней мере, это уменьшает уровень паразитных составляющих.

Далее вычисляет значение кода частоты и отправляет его через буферную схему интерфейса SPI в DDS синтезатор.

На схеме буфер предназначен для буферизации шины данных и управления.

Программируемый генератор сигналов подключен в стандартном режиме. После сигнал синусоидальной формы подается на вывод ПГС. В качестве тактового генератора для ПГС применен кварцевый генератор - Г.

Для определения яркости свечения индикатора на сегментики подключены резисторы , также для управления индикатором используются транзисторы.

Для развязки по цепям питания используются керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, соединенные параллельно с танталовыми конденсаторами емкостью порядка 10 мкФ.