ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР
Hobby Elektronika 2000, №7-8.
Кроме аналоговых способов получения синусоидальных сигналов существуют и цифровые способы их синтезирования. При использовании цифрового синтеза искажения не зависят от частоты сигнала. Стабильность частоты в этом случае гораздо выше, а диапазон перестройки частоты получается больше, чем например у генератора на мосте Вина. В этой статье описывается практическая реализация цифрового генератора гармонического сигнала. Он не способен работать на очень высоких частотах, но в качестве лабораторного генератора он будет очень полезен для радиолюбителей.
Сегодня даже компьютеры, оборудованные звуковой картой могут генерировать различные сигналы, которые можно использовать для измерений. Если компьютера нет под рукой, то синусоидальный сигнал можно создать с помощью регистров сдвига, на которые подаётся сигнал с тактового генератора, и на выходе которых установлен набор резисторов, преобразующих параллельный цифровой код в аналоговый сигнал. При использовании резисторов с разными значениями на выходе можно поучить различную форму периодических сигналов. Однако из-за того, что система цифровая, и сигнал генерируется ступенчато, то в выходном сигнале могут присутствовать гармоники частоты дискретизации. Поэтому или частота дискретизации должна быть очень большой и сигнал должен быть сформирован из большого числа ступенек, или частоту следует выбрать приемлемой и использовать небольшое число ступенек, например 32, но фильтровать выходной сигнал. В этом генераторе применён последний способ.
Принцип действия
Схема генератора изображена на рисунке 1. Тактовые сигналы, которые имеют максимальную частоту 6,4 мГц сформированы астабильным мультивибратором на логических элементах G1..G3 микросхемы IC1. Перестройки частоты осуществляется потенциометром P1, в то время как для изменения частоты по декадам используется переключатель К/1. Микросхема IC1 состоит из набора скоростных КМОП элементов, вместо неё можно использовать менее скоростные ТТЛ логические элементы, скорректировав значение сопротивления R2=270 Ом. На микросхемы IC1..IC3 подаётся напряжение питания +6 вольт (по паспорту 74AC00 её максимальное напряжение питания может составлять 6 вольт, для серии 4000 - 15 вольт). Чем больше питающее напряжение, тем больше максимальная рабочая частота микросхем. Для делителя IC2 максимальная рабочая частота будет составлять 6,4 МГц при напряжении питания 6 вольт. Микросхема 74AC00 может выдержать долговременное повышенное напряжение питания до 6..6,5 В (особенно при слабом нагружении выхода).
Рис. 1.
Тактовая частота задающего генератора в 32 раза больше, чем частота синтезируемого синусоидального сигнала. При максимальной тактовой частоте 6,4 МГц это будет соответствовать частоте синусоидального сигнала 200 кГц. Двоичный счётчик IC2 делит частоту входного сигнала на 32. С выхода Q4 счётчика IC2 сигнал подаётся на вход первого сдвигового регистра IC3, с его выхода Q3B сигнал поступает на вход DA следующего сдвигового регистра IC4. Состояния выходов сдвиговых регистров изменяются синхронно с тактовыми импульсами, поступающими с выхода задающего генератора IC1. Рассмотрим осциллограмму сигналов на входах и выходах сдвигового регистра IC3 (рисунок 2):
Рис. 2. Сигналы на входах CpA, CpB, DA и выходах Q0A..Q3A, Q0B..Q3B сдвигового регистра IC3.
Из этого рисунка видно, что с каждым тактовым импульсом данные, поступающие на входы DA сдвиговых регистров, записываются в первый разряд каждого из регистров и одновременно сдвигаются на один разряд дальше, данные постепенно переходят с первого регистра на второй, и далее процесс повторяется.
К выходам сдвиговых регистров подключена матрица резисторов R3...R30, которая производит цифро-аналоговое преобразование сигнала и формирует синусоиду (рисунок 3). Если использовать другие номиналы резисторов то можно будет сформировать любые другие периодические сигналы, например, сигнал треугольный формы. Сумма всех токов с выхода резисторной матрицы поступает на вход усилителя IC5. Синусоидальный выходной сигнал должен быть со средним значением ноль вольт (т.е. без постоянной составляющей выходного сигнала). Сдвиг уровня сигнала осуществляется с помощью подачи на прямой вход операционного усилителя напряжения смещения с помощью делителей R31 и R32.
Рис. 3. Сигнал на входе счётчика ID2, на его выходе и синусоида в точке соединения резисторов R3..R30.
Поступающий с выхода IC5 ступенчатый сигнал фильтруется так, что бы осталась только основная гармоника. Для этого используется фильтр нижних частот. Применение цифровой фильтрации было бы предпочтительнее, но это значительно усложнило бы конструкцию.
Труднее всего осуществлять фильтрацию в нижнем диапазоне частот: проблема решается путём компромиссов. Здесь применяется активный фильтр третьего порядка на операционном усилителе IC6 и пассивных элементах R37...R39, C15...C17 в цепи обратной связи.
То же самое можно сказать и о других фильтрах, частоты которых лежат в диапазонах 200 Гц...2 кГц, 2 кГц...20 кГц, 20 кГц...200 кГц, которые очищают синусоидальный сигнал. Вообще для каждого фильтра необходим свой усилитель, но поскольку всё равно необходимо коммутировать цепи тактового генератора переключателем К/1, то используются коммутируемые полосовые фильтры в цепи IC6, коммутируемые переключателями К/2 и К/3.
Операционный усилитель TL080 (IC6) усиливает сигнал, поступающий на его вход в два раза по амплитуде, он имеет низкий уровень искажений и линейную частотную характеристику до частот 300 кГц. Интегрирующая цепь R36, C14 подавляет всплески сигнала, образующиеся в основном на высоких частотах. Сопротивление резистора R36 относительно невелико, что бы амплитуда сигнала не уменьшалась под нагрузкой. Для питания операционных усилителей необходимо симметричное стабилизированное напряжение питания, поэтому кроме источника +6 В применяется ещё и источник -6 В.
Сборка и настройка.
Рисунок печатной платы изображён на рисунках 4 и 5. Конденсаторы, используемые в самом высокочастотном диапазоне должны быть припаяны с очень короткими выводами, в первую очередь это касается C5!
Рис. 4, 5. Печатная плата.
Тактовый генератор обеспечивает стабильность частоты порядка 10-3...10-4, поэтому если нужна большая стабильность, то можно использовать схему синтезатора частоты из журнала "Hobby Elektronika" 1999, №2, №3. Для этого перемычка на входе IC2 переключается в верхнее по схеме положение, и на вход IC2 подаётся частота с синтезатора. Значение частоты должно быть в 32 выше, чем частота синтезируемой синусоиды.
Настройка. Вместо переключателя K временно устанавливают короткие перемычки (что бы провода, ведущие к переключателю не мешали), настраивая прибор на третий диапазон. Убедитесь, что тактовый генератор работает и на выходе IC5 присутствует ступенчатое синусоидальное напряжение, а на выходе IC6 присутствует синусоидальный сигнал. Если при максимальном положении потенциометра P2 наблюдается несимметричное ограничение сигнала, то придётся подобрать резистор R34. Далее следует отрегулировать потенциометр P2 так, что бы сигнал не был ограничен. Теперь надо проверить уровень постоянной составляющей сигнала, которая должна быть равна нулю, это проверяют осциллографом с включённым режимом по постоянному току (так называемый открытый вход), для регулировки подбирают величину сопротивления R31 (или уменьшить сопротивление R32 до 1,6 кОм и включить последовательно с ним подстроечный резистор 470 Ом для регулировки, отрегулировать, измерить сопротивление подстроечного резистора, прибавить к нему 1,6 кОм и таким резистором заменить резистор R32).
Амплитуда сигнала при перестройке на каждом диапазоне не должна изменяться более чем на 1%. На самом верху диапазона может наблюдаться некоторое его снижение (несколько процентов). Для подстройки этого фильтра можно припаять конденсатор ёмкостью 100 пФ параллельно конденсатору C22 со стороны фольги. Не забудьте так же проверить, что изменение амплитуды по диапазонам не превышают 1%! Такие же настройки следует провести и на других диапазонах.
При необходимости, конечно, может быть добавлен дополнительный диапазон частот 0,2...2 Гц. Для этого используют отдельную плату. Номинал конденсатора для задающего генератора должен иметь ёмкость 3 мкФ, сопротивления фильтра - по 150 кОм, ёмкости фильтра - 866 нФ, 280 нФ и 352 нФ. Переключатель K должен быть заменён на пятипозиционный.
Если всё работает, то можно подключить переключатель диапазонов, используя короткие проводники. Вполне возможно, что из-за паразитных ёмкостей проводников переключателя в верхнем диапазоне придётся уменьшить ёмкость конденсатора C5.
Устройство смонтировано в небольшом металлическом корпусе. Источник питания состоит из трансформатора с двумя вторичными обмотками (2x10..12 В, 1..2 Вт), выпрямителя на диодах 1N4001, электролитических конденсаторов 470 мкФ и двух интегральных стабилизаторов напряжения 78L06 (положительный) и 79L06 (отрицательный).
Для выходного разъёма генератора используется байонетный BNC коннектор. Общий провод печатной платы гальванически соединён с корпусом. Плата блока питания крепится винтами к корпусу. Ручка настройки должна быть оснащена большой шкалой. Выключатель питания - обычный тумблер.
Для выхода сигналов тактовой частоты f0 и f0/32 можно сзади корпуса установить разъёмы RCA или BNC. Для подключения внешней задающей частоты сигнала f0 там же можно разместить ещё один разъём.
Эскиз передней панели изображён на рисунке 6.
Рис. 6. Передняя панель
На ось переменного резистора точной настройки можно надеть шкалу, изготовленную из белого картона, проградуированную делениями, что упростит использование прибора, калибровку шкалы осуществляют с помощью частотомера.
И в заключение необходимо проверить коэффициент гармоник, обычно составляющий не более 0,1%, но если точнее подобрать сопротивления R30...R33, то можно получить коэффициент нелинейных искажений лучше чем 0,07%.