EP 2005_06.pdf

Wielokanałowy generator sygnałów programowalnych

Wielokanałowy generator

sygnałów programowalnych,

część 1

AVT-456

Zasilacz, oscyloskop, generator

– oto podstawowe wyposażenie

warsztatu elektronika. Tym

razem prezentujemy interesujący

projekt programowanego

generatora. Dzięki zastosowaniu

procesora sygnałowego autorzy

uzyskali dobre parametry

użytkowe.

Rekomendacje:

ten projekt należy do grupy

takich urządzeń, które każdy

elektronik chce mieć. I w tym

przypadku owa chęć jest mocno

uzasadniona funkcjonalnością

przyrządu. A dodatkowo dochodzi

przyjemność wykonania układu

na nowoczesnym układzie

– procesorze DSP.

Konstruowanie urządzeń elektro-

nicznych zawsze składa się z kilku

etapów. Poprzez ideę, założenia, re-

alizację schematu i wzorów płytek

drukowanych, buduje się prototyp.

Niezależnie od funkcji pełnionych

przez urządzenie konieczne jest zba-

danie, czy wynik pracy konstrukto-

ra jest zgodny z wcześniej przyjęty-

mi założeniami. Gdy urządzenie nie

spełnia przyjętych wymogów, wpro-

wadzane są do projektu poprawki.

Dopiero po testach i próbach zakoń-

czonych sukcesem, urządzenie może

traﬁć do seryjnej produkcji. Należy

dodać, że na końcu etapu produk-

cyjnego gotowy wyrób jest również

testowany. Filtr, wzmacniacz czy

element regulacji posiadają cechy,

które można poznać na podstawie

odpowiedzi układu na zadany sy-

gnał. Na przykład wzmacniacz cha-

rakteryzuje się określonym pasmem

przenoszenia, wzmocnieniem, prze-

sunięciem fazy, zniekształceniami,

szumem. Na podstawie odpowiedzi

układu sterowania możemy określić

np. rodzaj regulatora lub nawet wy-

znaczyć jego transmitancję. Do pod-

łączenia sygnału na wejście badane-

go obiektu niezbędny jest generator

sygnału wzorcowego. W niniejszym

artykule, zostanie przedstawiony

generator przebiegów programowal-

nych o bardzo małych zniekształce-

niach.

Informacje podstawowe

Schemat blokowy prezentowanego

generatora jest pokazany na rys. 1 .

Generator ma 6 wyjść. Przebiegi na

każdym z nich mogą być deﬁniowa-

ne odrębnie i są pod tym względem

od siebie niezależne. Wspólna dla

wszystkich sześciu wyjść jest tylko

częstotliwość podstawowa.

Przy pracy nad prezentowa-

nym generatorem przyjęto w zało-

żeniach, że maksymalna generowa-

na częstotliwość powinna wynosić

1 kHz przy 1000 próbek na okres.

Główny nacisk został położony na

poziom zniekształceń sygnału, co

zostało w pełni zrealizowane. Dla

1 kHz i 1000 próbek/okres poziom

zniekształceń S/N (sygnał/szum) dla

sygnału sinusoidalnego wyniósł za-

ledwie –67 dB (0,04%), co zostało

przedstawione na rys. 2 . Dostępne

są jednak znacznie wyższe częstotli-

wości przy mniejszej liczbie próbek

na okres, sięgające dla sygnału sinu-

soidalnego nawet kilkunastu kHz.

Jak widać ze schematu blokowe-

go, generator składa się z aplikacji

na komputer PC oraz urządzenia,

którego sercem jest procesor sygna-

łowy ADSP-2181 ﬁrmy Analog De-

PODSTAWOWE PARAMETRY

Dwie płytki drukowane:

ADC 118 x 69 mm

DSP 118 x 69 mm

Zasilanie sieciowe

6 niezależnych wyjść (wspólna jest częstotliwość

podstawowa wszystkich przebiegów)

Maksymalna częstotliwość wyjściowa 1 kHz

(1000 próbek na okres)

Generacja przebiegu o programowanym kształcie

Sterowanie generatora z poziomu aplikacji na PC

Interfejs RS232C do komputera PC (DB9)

Elektronika Praktyczna 6/2005

P R O J E K T Y

Wielokanałowy generator sygnałów programowalnych

Rys. 1. Schemat blokowy sześciokanałowego generatora funkcyjnego zbudo-

wanego w oparciu o procesor ADSP2181

Podstawowe dane dotyczące układu

MAX547:

• 8 kompletnych 13-bitowych prze-

tworników C/A;

• 8 przetworników C/A w jednym

układzie scalonym;

• Nie wymaga zewnętrznej regulacji;

• Buforowane wyjścia napięciowe;

• Kalibrowana liniowość przetwa-

rzania;

• Gwarantowana monotoniczność

do 13 bitów;

• Napięcie zasilania ±5 V;

• Unipolarne lub bipolarne wyjścia

o wydajności napięciowej ±4,5 V;

• Szybkość ustalania się wartości

na wyjściu 5 µs z dokładnością

1/2 LSB;

• Podwójnie buforowane wejścia

cyfrowe;

• Asynchroniczne buforowanie za-

trzasków wejściowych oraz za-

trzasków par przetworników C/A;

• Asynchroniczne zerowanie wejść

przetworników C/A do wartości

masy analogowej;

• Automatyczne zerowanie wejść

przetworników C/A do wartości

masy analogowej po zasileniu

układu;

• Kompatybilność z mikroprocesora-

mi oraz układami w technologii

TTL/CMOS.

Przetwornik ten cechuje podwój-

nie buforowany interfejs logiczny

z 13-bitową równoległą magistralą da-

nych. Każdy przetwornik C/A posia-

da zatrzask wejściowy oraz zatrzask

przetwornika. Dane z zatrzasku prze-

twornika C/A ustawiają napięcie na

wyjściu przetwornika. Osiem zatrza-

sków wejściowych jest adresowanych

przez trzy linie adresowe. Dane są

ładowane do zatrzasków wejściowych

pojedynczą instrukcją zapisu. Infor-

macje z zatrzasków wejściowych do

zatrzasków przetworników są prze-

syłane asynchronicznie, za pomocą

sygnałów na wejściach LDx , stanem

aktywny m n iskim. Układ ma cztery

wejścia LDx , każde kontroluje dwa

przetworniki C/A, a wszystkie zatrza-

ski przetworników można ładować

jednocześnie prz ez zwarcie wszyst-

kich wejść LDx . Zerowanie wyjść

wszystkich ośmiu przetworników

do wartości masy analogowej odby-

wa się asynchronicznie za pomocą

wym uszen ia stanu nisk iego na wej-

ściu CLR . Sygnał CLR ustawia tak-

że wartość 1000 hex na zatrzaskach

wejściowych. Po zasileniu układu,

uruchamiana jest procedura, o funk-

cji i dentycznej jak działanie sygnału

CLR . Przedstawiony przetwornik ma

Rys. 2. Wykres przedstawiający stosunek sygnał-szum w dB w funkcji częstotli-

wości, dla różnej liczby próbek

vices współpracujący z przetworni-

kiem cyfrowo-analogowym MAX547.

Do komunikacji pomiędzy częścią

sprzętową i aplikacją został wyko-

rzystany popularny interfejs RS232.

RAM ma pojemność 80 kB i w sto-

sunku do mikrokontrolerów, dla

których 1 kB to już zawrotna wiel-

kość, jest ogromna. Podzielona jest

ona na części po 16 kilosłów dla

programu i dla danych, przy czym

dane mają długość 16 bitów, a in-

strukcje kodowane są na 24 bitach.

Procesory DSP posiadają jednost-

kę wspomagającą operacje mnoże-

nia i jest to tzw. MAC ( Multiply

ACcumulate module ). Pomimo, że

ADSP-2181 jest szesnastobitowy, to

rezultat mnożenia zapisywany jest

w rejestrze czterdziestobitowym. Ko-

lejną cechą omawianego układu jest

możliwość wykonywania niektórych

instrukcji równolegle. Pamięć ze-

wnętrzna i przestrzeń I/O mają od-

dzielne sygnały sterujące. Możliwe

jest zaadresowanie 2048 urządzeń

zewnętrznych i 4 MB zewnętrznej

pamięci RAM lub ROM. Omawiany

procesor wyposażony jest również

w port DMA, dzięki któremu urzą-

dzenia zewnętrzne mają dostęp do

wewnętrznej pamięci RAM, którą

mogą modyﬁkować.

Procesor sygnałowy ADSP-2181

Obszar zastosowań szesnastobi-

towego procesora ADSP-2181 ﬁrmy

Analog Devices to głównie cyfrowe

przetwarzanie sygnałów (np. ﬁltry

cyfrowe, analiza Fouriera). Trud-

no ten typ procesora opisać w kil-

ku zdaniach, jednak na próżno

szukać w jego strukturze elemen-

tów charakterystycznych dla mi-

krokontrolerów tzn. komparatorów,

pamięci EPROM lub Flash, prze-

tworników A/C itp. Nie posiada

on nawet standardowego interfejsu

UART. W prezentowanym projekcie

jest on emulowany za pomocą ﬂag:

wejściowej i wyjściowej. Ma on za

to inne właściwości, niedostęp-

ne w mikrokontrolerach. Należy do

nich bardzo duża moc obliczenio-

wa, która w przypadku ADSP-2181

wynosi 40 MIPS (milionów in-

strukcji na sekundę) przy częstotli-

wości kwarcu 20 MHz. Naturalnie

wszystkie instrukcje realizowane są

w jednym cyklu zegarowym. Pro-

gram wykonywany jest z wewnętrz-

nej pamięci RAM, do której jest

on ładowany z zewnętrznej pamię-

ci stałej po sygnale reset. Pamięć

Przetwornik cyfrowo-analogowy

MAX547

Schemat blokowy przetworni-

ka pokazany jest na rys. 3 . Układ

MAX547 jest ośmiokanałowym prze-

twornikiem C/A o rozdzielczości 13-

-bitów z równoległym interfejsem.

Elektronika Praktyczna 6/2005

Wielokanałowy generator sygnałów programowalnych

Rys. 3. Schemat funkcjonalny układu MAX547

bardzo małe glitche , co jest jego

bardzo istotną zaletą, gdyż wpływa

na zmniejszenie zniekształceń prze-

twarzanego sygnału. Glitch jest to

nic innego jak szpilka, przeważnie

o znacznej amplitudzie, pojawiająca

się w sygnale wyjściowym. Powsta-

je ona wskutek przełączania kluczy

tranzystorowych, zawartych w struk-

turze układu, w momencie przetwa-

rzania wartości binarnej sygnału na

jego reprezentację analogową. Szpil-

ka taka osiąga największą wartość

gdy wszystkie bity kodu binarne-

go zmieniają swoją wartość, np.

0111111111111 –> 1000000000000.

W takim przypadku następuje prze-

łączenie wszystkich kluczy tranzy-

storowych. Każdy tranzystor „za-

myka” i „otwiera” się z różną pręd-

kością, dlatego w stanie pośrednim

wartość kodu jest nieustalona (przy-

padkowa), która następnie jest kon-

wertowana na wartość analogową.

lu wykresu w zakładce „ General ”

wyświetlane są przebiegi wszystkich

aktywnych kanałów. Należy pamię-

tać, że częstotliwość podstawowa

oraz liczba próbek na okres jest

wspólna dla wszystkich kanałów.

Wykres ma dodatkowe funkcje, któ-

re są dostępne w podręcznym menu

po kliknięciu prawym przyciskiem

myszki na jego polu. Są to między

innymi analiza FFT oraz możliwość

powiększenia lub pomniejszenia wy-

kresu. Dzięki analizie FFT można

obejrzeć amplitudę, fazę, część rze-

czywistą lub urojoną poszczególnych

składowych sygnału. Dostępnych

jest pięć rodzajów okien: prostokąt-

ne, trójkątne, Hanninga, Hamminga

oraz Blackmana. Rozdzielczość ana-

lizy FFT można zmieniać w zakresie

od 128 do 32768 punktów. Dowolny

Aplikacja sterująca

Możliwości generatora najlepiej

jest przedstawić opisując właści-

wości i funkcje aplikacji sterującej

urządzeniem. Na rys. 4 przedstawio-

ne jest okno główne programu z ak-

tywną zakładką „ General ”. Parametry

sygnału jakie można na niej ustawić

to: częstotliwość podstawowa, liczba

próbek na okres i faza sygnału. Do-

datkowo w zakładce „ General ” ustala

się parametry funkcji sweep, czyli

krokowej zmiany częstotliwości. Pola

typu checkbox w grupie „ Active out-

puts ” służą do wybrania kanałów,

których próbki mają zostać przesła-

ne do pamięci procesora DSP. W po-

Elektronika Praktyczna 6/2005

Wielokanałowy generator sygnałów programowalnych

Rys. 4. Okno główne aplikacji z aktywną zakładką „ General ”

Rys. 7. Narzędzie służące do de-

finiowania formuły matematycznej

opisującej przebieg

fragment wykresu można również

powiększyć przy użyciu myszki za-

znaczając prostokąt nad interesują-

cym nas obszarem z góry w dół. Za-

znaczenie prostokąta od dołu w górę

powoduje pomniejszenie wykresu.

Kolejne zakładki służą do de-

ﬁniowania parametrów poszczegól-

nych przebiegów. Każda przeznaczo-

na jest dla odpowiedniego kanału.

Ich zawartość jest taka sama, dla-

tego zostanie przedstawiona tylko

jedna z nich „ Output 1 ”.

Przebieg można zdeﬁniować na

trzy sposoby:

• określając wartości amplitud i faz

poszczególnych harmonicznych

( rys. 5 ),

• podając amplitudę stanu wyso-

kiego i niskiego oraz czas ich

trwania, a także czas narastania

i opadania zboczy ( rys. 6 ),

• podając formułę matematyczną.

Dodatkowo dla pierwszych dwóch

sposobów można podać również

składową stałą (offset). Przełącznik

„ Form ” na rys. 5 i 6 pozwala dokonać

wyboru sposobu deﬁniowania prze-

biegu. Dla ułatwienia wprowadzania

formuł matematycznych przygotowa-

ne zostało narzędzie „ Equation edit ”

( rys. 7 ). Aby przyspieszyć pracę przy

wprowadzaniu takich samych usta-

wień dla kilku kanałów, wprowadzo-

no możliwość szybkiego kopiowania

zakładek. Wystarczy przełączyć się

na zakładkę w której chcemy wpro-

wadzić zmiany, a następnie wybrać

kanał z listy rozwijanej i przycisnąć

„ Copy settings ”. Ustawienia wybra-

nego kanału zostaną skopiowane do

aktualnej zakładki. Aplikacja posiada

również możliwość zapisu do pliku

deﬁnicji przebiegów.

Po określeniu właściwości prze-

biegów i przesłaniu próbek do urzą-

dzenia uaktywniony zostaje „ Control

panel ” ( rys. 8 ). Za jego pomocą moż-

liwe jest włączenie bądź wyłączenie

każdego kanału osobno, jak i również

zmiana częstotliwości podstawowej.

Opis urządzenia

Urządzenie ma budowę moduło-

wą, tzn. na osobnej płytce znajdu-

je się procesor wraz z niezbędnymi

elementami i na osobnej przetwor-

nik z układem zasilania.

Bardzo ważnym elementem ge-

neratora jest przetwornik C/A

MAX547 ﬁrmy MAXIM oznaczony na

schemacie ( rys. 9 ) jako U8. Zasilany

jest on napięciami symetrycznymi

±5 V, których dostarcza układ stabi-

lizacji napięcia złożony z prostowni-

ka napięcia: D2,

D3, D4 i D5, ze

stabilizatorów

U5 i U6 oraz

kondensato-

rów C19, C20,

C21, C22, C24,

C25, C31, C32.

Zworka JP4 słu-

ży do rozdziele-

nia masy ana-

logowej AGND

i GND podczas

procesu auto

routingu i przy

normalnej ge-

neratora pracy

musi być zwar-

ta. Dioda D7

Rys. 5. Pole pozwalające zdefiniować

właściwości poszczególnych harmo-

nicznych sygnału

Rys. 6. Pole pozwalające zdefiniować

właściwości przebiegu prostokątnego

(trójkątnego)

Rys. 8. Control

panel

Elektronika Praktyczna 6/2005

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: