Функциональный генератор квадратурных напряжений

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Южный Федеральный Университет

Радиотехнический факультет

Кафедра Теоретических Основ Радиотехники

Расчётно-пояснительная записка

к курсовому проекту на тему:

«Функциональный генератор квадратурных напряжений»

по курсу «Разработка аппаратно-программных радиотехнических узлов»

Выполнил:

студент гр. Р-19 Думанский И.С.

Проверил:

к.т.н., доцент кафедры ТОР Цветков Ф.А.

Таганрог, 2013

Оглавление

Введение

. Описание принципа действия проектируемого устройства

. Описание схемы электрической структурной ФГКН

.1 Описание платы ввода-вывода NI PCI-6251

.2 Описание коннекторного блока BNC-2120

. Разработка программного обеспечения ФГКН

. Результаты работы программы

Заключение

Список литературы

Введение

. Тема проекта: «Функциональный генератор квадратурных напряжений».

. Срок сдачи студентом законченной работы 20 декабря 2013 г.

. Исходные данные к работе:

.1. Функциональный генератор квадратурных напряжения (ФГКН) предназначен для выработки аналоговых квадратурных периодических напряжений различной формы.

.2. ФГКН должен состоять из: коннекторного узла BNC-2120, персонального компьютера со специализированным программным обеспечением (ПО) и программной средой LabVIEW-8.2, установленной в ПК платы ввода-вывода NI PCI-6251.

.3. ФГКН должен обеспечивать:

формирование массива цифровых отсчетов реализации двух периодических напряжений с заданной формой и одинаковой частотой, сдвинутых одно от другого на 0,25 их периода;

преобразование их в последовательности отсчетов периодических напряжений с заданной частотой повторения;

преобразование последовательностей отсчетов в выходные периодические аналоговые напряжения;

отображение реализаций генерируемых периодических напряжений на экране ПК.

. Параметры ФГКН:

частота генерируемых периодическых напряжений, кГц: от 0,01 до 50 с шагом 0,01 кГц;

формируемые аналоговые сигналы - непрерывные;

размах выходного периодического напряжения, В: от 0,1 до 10.

форма периодических напряжений: гармоническая, треугольная, прямоугольная (меандр).

. Содержание расчетно-пояснительной записки.

Введение.

.1. Краткое описание принципа действия проектируемого устройства.

.2. Разработка схемы электрической структурной ФГКН.

.3. Разработка программного обеспечения ФГКН.

Заключение.

. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):

.1. Схема электрическая структурная ФГКН (1 лист).

Уже более 30 лет компания National Instruments (NI) является лидером в области разработки и производства аппаратно-программных средств автоматизации измерений, диагностики, управления и моделирования в широком спектре приложений. NI является разработчиком виртуальных приборов - революционной концепции, изменившей подходы и методику проведения измерений и разработки систем автоматизации.

Разработанная NI система графического инженерного программирования LabVIEW и модульные открытые аппаратные средства могут использоваться инженерами на протяжении всего цикла проектирования изделий. Аппаратно-программные средства NI поддерживают простые в использовании решения для широкого диапазона приложений от простой регистрации данных до высокопроизводительного автоматизированного тестирования, промышленного управления и передовых встроенных систем контроля и мониторинга.

функциональный генератор квадратурный напряжение

1. Описание принципа действия проектируемого устройства

В общем случае генератор сигналов - это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). В данном курсовом проекте необходимо разработать генератор напряжения, то есть генератор электрических сигналов.

Функциональный генератор квадратурных напряжений (ФГКН) - это общий инструмент для генерации тестовых сигналов. Большинство функциональных генераторов могут генерировать сигналы синусоидальный, прямоугольной и треугольной формы, профессиональная аппаратура поддерживает сигналы произвольной формы и имеет множество каналов.

Для построения цифровых функциональных генераторов квадратурного напряжения используют методы аналогового и цифрового синтеза.

Для аналогового синтеза часто используется генератор на основе моста Вина или традиционная интегральная схема функционального генератора ICL8038. Этот аналоговый метод может быть реализован по очень простой схеме, однако, имеются проблемы в стабильности и точности.

Метод цифрового синтеза развился относительно недавно. В этом методе данные о форме сигнала получаются путем цифровой обработки, и эти данные конвертируются в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Так как форма сигнала задается цифровой схемой, этот метод имеет очень хорошую стабильность и точность по сравнению с аналоговым методом, и форма сигнала может полностью контролироваться программно.

Так как по ТЗ ФГКН должен включать в свой состав плату ввода-вывода, которая по сути является устройством с АЦП и ЦАП, то будем использовать метод цифрового синтеза. Данные о форме сигнала будем получать программно с помощью программной среды LabVIEW-8.2. Вывод полученного напряжения на внешнее устройство будем осуществлять с помощью коннекторного блока.

2. Описание схемы электрической структурной ФГКН

ФГКН состоит из системного блока персонального компьютера (ПК) с монитором, клавиатурой и манипулятором («мышью»), платы ввода-вывода NI PCI-6251, установленной в ПК, и коннекторного узла BNC-2120. На ПК должно быть установлено специализированное программное обеспечение (ПО) и программная среда LabVIEW-8.2. Плата ввода-вывода NI PCI-6251 предназначена для измерения и воспроизведения мгновенных значений электрического напряжения и представляет собой многоканальное устройство с функциями аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей. Коннекторный узел BNC-2120 предназначен для легкой связи аналоговых входных, аналоговых выходных, цифровых входных/выходных сигналов, сигналов таймеров-счетчиков с устройствами сбора данных. Так как в данном проекте разрабатывается генератор, то напряжение с выхода коннекторного узла (на схеме «Выход») можно подавать на внешнее устройство. Рассмотрим подробнее узлы структурной схемы.

2.1 Описание платы ввода-вывода NI PCI-6251

Плата ввода-вывода NI PCI-6251 относится к М-серии высокоскоростных многофункциональных устройств сбора данных (DAQ).Эти устройства упрощают конфигурирование и измерения, так как оптимизированы для получения высокой точности измерений на больших частотах выборки. Они имеют в усилитель NI-PGIA2, спроектированный для высокой частоты дискретизации на высоких частотах, обеспечивая высокую точность, даже когда измерения производятся по всем каналам на максимальных скоростях. Это делает устройства подходящими для широкого диапазона приложений, включающих автоматическое тестирование электроники, получение характеристик компонентов и управление процессами. Поддержка высоких частот дискретизации дает возможность точно получать динамические данные с различных датчиков.

Типичная DAQ система изображена на рисунке 2.1. Она включает в себя: датчики и преобразователи, устройство обработки сигналов, кабели для соединения различных устройств и аксессуаров, устройство М-серии, программное обеспечение и персональный компьютер.

Рисунок 2.1 - Состав DAQ системы

Аппаратно-программные средства DAQ оцифровывают сигналы, выполняют преобразования для генерации аналоговых сигналов, позволяют измерять и контролировать входные и выходные цифровые сигналы. Компоненты всех устройств M-серии изображены на рисунке 2.2.

Здесь I/O Connector - коннекторный блок; AnalogInput - аналоговые входные сигналы; AnalogOutput - аналоговые выходные сигналы; Digital I/O - цифровые входные/выходные сигналы; Counters - сигналы счетчиков; PFI (ProgrammableFunctionInterface) - сигналы программируемого функционального интерфейса; DigitalRoutingandClockGeneration-блок цифровой маршрутизации и генерации времени; RTSI (Real-timeSystemIntegration) - блок интеграции систем реального времени; BusInterface - интерфейс шины; Bus - шина.

Рисунок 2.2 - Компоненты устройств М-серии

Плата NI PCI-6251 имеет 16 аналоговых входов, 2 аналоговых выхода, 24 цифровых ввода-вывода. Максимальная частота дискретизации на вход 1,25 МГц, на выход - 2,86 МГц.

Схема цепи аналоговых выходов устройств М-серии приведена на рисунке 2.3.

Здесь DAC0…DAC3 -цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), преобразующие цифровой код в аналоговое напряжение. В плате NI PCI-6251 имеется два аналоговых выхода. AOFIFO - одновходовый и одновыходовый буфер памяти между компьютером и ЦАП, позволяющий загружать точки графика для генерации.

Рисунок 2.3 - Схема цепи аналоговых выходов устройств М-сериисчитывает отсчет с DACFIFOи генерирует выходное аналоговое напряжение. AOoffset (смещение) и AOreference (диапазон) select позволяют изменять диапазон выходного аналогового напряжения. Для платы NI PCI-6251 смещение всегда равно нулю, а диапазон устанавливается либо ±10 В, либо ±5 В.

2.2 Описание коннекторного блока BNC-2120

представляет собой экранированный коннекторный блок с маркированными сигнальными разъемами. Лицевая панель этого устройства с расшифровкой всех его разъемов изображена на рисунке 2.4.

Коннекторный блок предназначен для связи устройства сбора данных и внешних устройств (генераторов, осциллографов и т.д.). Он позволяет вводить и выводить аналоговые и цифровые сигналы, сигналы таймера-счетчика, имеет встроенный функциональный генератор. При построении ФГКН нам понадобится оба аналогова выхода (9 на рисунке 2.4), напряжение с которого можно подать на осциллограф и проверить работу разрабатываемого генератора.

Рисунок 2.4 - Лицевая панель коннекторного узла BNC-2120

3. Разработка программного обеспечения ФГКН.

Программа, реализующая ФГКН, разработана в LabVIEW. Лицевая панель программы представлена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 - Лицевая панель программы

Выбор формы сигнала осуществляется с помощью блока Horizontal pointer slide (Controls - Modern - Horizontal pointer slide). Добавление новых позиций производится в свойствах блока в закладке Data Range (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Настройка блока Horizontal pointer slide

Частота дискретизации задается с помощью блока NumericControl (Controls - Modern - Numeric). По ТЗ частота сигнала должна задаваться в диапазоне от 10 Гц до 50 кГц с шагом 10 Гц. Для удобства выбора частоты воспользуемся блоком HorizontalPointerSlide (Controls - Modern - Numeric) и дополним его цифровым дисплеем. В свойствах настроим диапазон вводимых значений (рисунок 3.3) в закладке DataEntry: минимальное значение 10, максимальное 50000, шаг 10.

Рисунок 3.3 - Настройка диапазона изменения частоты сигнала

Размах сигнала также задается с помощью блока HorizontalPointerSlide с цифровым дисплеем для удобства установления значений. В свойствах (рисунок 3.4) укажем минимальное значение напряжения 0,1 В, максимальное 10 В, шаг 0,1 В.

Рисунок 3.4 - Настройка диапазона изменения размаха сигнала

Для отображения генерируемого периодического напряжения на экране ПК используется модуль WaveformGraph (Controls - Modern-Waveforms). Подпишем оси - вертикальную «Сигнал, В», горизонтальную «Время, сек»; настроим линейную интерполяцию (рисунок 3.5) и стиль отображения точек (рисунок 3.6) по клику на пиктограмме в правом верхнем углу графика.

Рисунок 3.5 - Настройка интерполяции графика

Рисунок 3.6 - Настройка стиля точек графика

Для удобства анализа графиков введем возможность просмотра отдельных его частей с помощью функции GraphPalette (добавляется правим щелчком мыши на графике как показона на рисунке 3.7).

Рисунок 3.7 - ДобавлениеGraphPaletteк Waveform Graph

Также для удобства просмотра графика введем XScrollbar, позволяющий плавно просмотреть сигнал во всем диапазоне времени (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - ДобавлениеXScrollbar кWaveformGraph

Блок-схема программы приведена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Блок-схема программы

Так как для генерации необходимо непрерывное получение отсчетов сигнала, нужно использовать цикл WhileLoop (Functions-Programming-Structures) c остановкой по кнопке стоп. Для ее добавления необходимо правм щелчком мышки на выходе пиктограммы в правом нижнем углу цикла выбрать закладку CreateControl. При этом на лицевой панели автоматически появится кнопка Stop.

Чтобы получить на выходе ФГКН непрерывное периодическое напряжение, нужно, чтобы в длительность сигнала укладывалось целое число периодов напряжения. Выберем длительность реализации 0,1 секунды, тогда при частоте 10 Гц в длительность уложится один период, при 20 Гц - 2 периода и так далее. На блок-схеме длительность введена константой.

Любой блок формирования сигнала (гармонического, прямоугольного, треугольного) принимает на свои входы массив отсчетов реализации, нормированную частоту и амплитуду сигнала.

Чтобы сформировать отсчеты сигнала нужно частоту дискретизации умножить на длительность реализации с помощью MultiplyFunction (Functions-Programming - Numeric). Нормированная частота - это отношение частоты сигнала к частоте дискретизации, поэтому разделим частоту сигнала на частоту дискретизации с помощью Divide (Functions-Programming - Numeric). Так как нам задан размах входного напряжения, то для получения амплитуды необходимо разделить его на два.

Выбор формы сигнала осуществляется структурой Case (Functions-Programming-Structures), на CaseSelector которой подается значение с блока Enum. Схема внутри структуры Case в случае гармонического напряжения изображена на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Структура Case в случае гармонического сигнала

В данном случае для формирования массива выходного напряжения используется блок SineWave (Function - SignalProcessing - SignalGeneration). Расположение его входов и выходов приведено на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 - Выводы блока SineWave

Здесь Samples - отсчеты сигнала, Amplitude - амплитуда, Frequency - нормированная частота, Phasein - входная начальная фаза в градусах (используется, когда ResetPhase имеет значение «истина»), SineWave - массив отсчетов сформированного гармонического сигнала, PhaseOut - выходная начальная фаза, error - сигнал ошибки или предупреждения.

Подадим сформированные отсчеты, частоту и амплитуду на соответствующие входы и получим гармоническое напряжение.

Схема внутри структуры Case в случае прямоугольного напряжения изображена на рисунке 3.12

Рисунок 3.12 - Структура Case в случае сигнала прямоугольной формы

В данном случае для формирования массива выходного напряжения используется блок SquareWave (Function - SignalProcessing - SignalGeneration). Расположение его входов и выходов приведено на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 - Выводы блока SquareWave

Назначение его выводов аналогично блоку SineWave, dutycycle (%) - скважность в процентах.

Схема внутри структуры Case в случае треугольного напряжения изображена на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14 - Структура Case в случае сигнала треугольной формы

В данном случае для формирования массива выходного напряжения используется блок TriangleWave (Function - SignalProcessing - SignalGeneration). Расположение его входов и выходов приведено на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 - Выводы блока TriangleWave

Назначение его выводов также аналогично блоку SineWave.

Итак, на выходе структуры Case получены последовательности отсчетов для каждой формы сигнала. Для осуществления временной привязки необходимо воспользоваться блоком BuildWaveform. На входы блока необходимо подать шаг по времени и полученную последовательность отсчетов. Шаг есть величина, обратная частоте дискретизации. Для ее получения воспользуемсяReciprocal (Functions-Programming - Numeric). Далее полученный сигнал подаем на WaveformGraph для отображения его на лицевой панели.

Для формирования выходного аналогового напряжения на плате ввода-вывода NI PCI-6251 необходимо добавить на схему блок DAQAssistant. При его добавлении появляется окно настроек, изображенное на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16-Окно настройки DAQAssistant

Для построения ФГКН необходимо настроить DAQAssistant на вывод аналогового напряжения, т.е. выбрать AnalogOutput - Voltage. После этого появится новое окно, изображенное на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 - Окно выбора выхода аналогового напряжения

Как говорилось ранее, используемая плата ввода-вывода имеет два аналоговых выхода: ao0 и ao1. Выберем для вывода напряжения оба выхода и нажмем кнопку Finish.

Появится новое окно настроек, изображенное на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 - Окно настоек DAQAssistant при выводе напряжения

После всех настроек нажимаем кнопку OK и на блок-схеме соединяем формируемые отсчеты сигнала с входом блока DAQAssistant. При работе программы выходной аналоговый сигнал можно снять с аналоговых выходов ao0 и ао1 коннекторного блока BNC-2120.

4. Результаты работы программы

Работа программы при формировании гармонического напряжения с частотой 5 Гц приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Результат работы программы при гармоническом напряжении

Работа программы при формировании прямоугольного напряжения с частотой 5 Гц приведена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Результат работы программы при прямоугольном напряжении

Работа программы при формировании треугольного напряжения с частотой 5 Гц приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.1 - Результат работы программы при треугольном напряжении

Работа программы при формировании гармонического напряжения с частотой 50 кГц и длительностью реализации 200 мкс при просмотре части графика с помощью Graph Palette приведена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 - Результат работы программы при высокочастотном гармоническом напряжении

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан функциональный генератор квадратурных напряжений, позволяющий генерировать непрерывные аналоговые сигналы трех видов: гармонический, прямоугольной формы и треугольной формы. Частоту сигналов можно изменять в пределах от 10 Гц до 50 кГц с шагом 10 Гц, а размах - от 0,1 В до 10 В с шагом 0,1 В. Эти характеристики сигнала можно легко установить с помощью движков и контролировать их значения с помощью цифровых дисплеев. В программе предусмотрено графическое отображение генерируемых сигналов, причем эта информация динамически меняется при изменении параметров сигналов. Для удобства анализа графиков были введены функции детального просмотра, осуществляемые с помощью пиктограмм в левом нижнем углу графика. Для прекращения генерирования предусмотрена кнопка «STOP».

В программе введена возможность вывода полученных сигналов на аналоговые выхода ао0 и ао1 коннекторного блока BNC-2120 для дальнейшего подключения к нему внешних устройств.

Список литературы

1.       DAQ M Series User Manual NI 622x, NI 625x and NI 628x devices

.        BNC-2120 Installation Guide

.        Преобразователи напряжения измерительные цифро-аналоговые и аналого-цифровые модульные (DAQ устройства серий M и X), руководство пользователя