В данной статье выполнено обоснование актуальности и результат проектирования электрической схемы генератора сигналов различной формы на функциональном уровне. Актуальность исследования обусловлена тем, что существующие полезные устройства и технические решения, предназначенные для генерации периодических сигналов различной формы, имеют относительно высокую стоимость и ограниченное количество возможных формы импульсных сигналов. Решением данной проблемы является проектирование генератора сигналов различной формы на основе микроконтроллера.
Ключевые слова: генератор сигналов, различная форма сигналов, последовательный интерфейс UART, полезное устройство, таймер, микроконтроллер.
В области измерительной техники существует особый класс устройств, предназначенный для проверки различных технических решений промышленной электроники (от электрических схем до полноценных приборов). Данные устройства называются генераторами сигналов различной формы. В области приемо-сдаточных испытаний измерительной аппаратуры, предназначенной для работы с импульсными и периодическими сигналами, важной выходной характеристикой является реакция цепи. При этом, как правило, необходимо производить комплексную проверку для подтверждения реальных частотных характеристик посредством подачи на вход эталонных сигналов различной формы.
Генератор сигналов различной формы является одним из полезных устройств промышленной электроники, функциональность которых заключается в формировании выходного напряжения согласно заданным электрическим характеристикам (напряжение, закон изменения сигнала и т. п.). Целью настоящего исследования является предложение генератора сигналов на микроконтроллере, предоставляющего широкие возможности по формированию выходного сигнала. Актуальность исследования обусловлена тем, что существующие генераторы ограниченными касательно реализуемых форм выходных сигналов или имеют высокую стоимость при наличии данных функций. Одним из очевидных решений обозначенной проблемы является проектирование простого микропроцессорного устройства с открытым исходным кодом для возможности определения собственных форм сигналов.
Предлагаемое устройство должно соответствовать следующим техническим требованиям:
1) формирование сигнала с выбором формы (синус, прямоугольник, треугольник, пила),
2) изменение частоты выходного сигнала в диапазоне от 50 Гц до 20 кГц,
3) размах формируемого напряжения 5 В,
4) а также функциональным требованиям:
5) установка основных параметров работы устройства с помощью кнопок и энкодера,
6) индикация основных конфигурируемых параметров,
7) возможность установки основных параметров с использованием ПК.
Функциональная схема предлагаемого устройства, удовлетворяющего обозначенным техническим и функциональным характеристикам, представлена на рис. 1. Основу работы устройства составляет микроконтроллер семейства AVR [1].
Рис. 1. Функциональная схема генератора сигналов различной формы
Рассмотрим основные элементы устройства и обеспечение требований:
- Выполнение требования (1) и (3) выполняется при использовании ЦАП (формирование аналогового сигнала) и операционного усилителя (повышение максимальной нагрузочной способности).
- Обеспечение требования (2) выполняется при использовании 16-разрядного таймера в составе МК с высокой частотой тактирования. При этом будет покрываться весь необходимый частотный диапазон выходного сигнала.
- Требование (4) заключается в необходимости обеспечения ручного режима управления генератором. При этом необходимо использование кнопок «Меньше» и «Больше» для изменения того или иного электрического параметра, а также «Режим» для переключения режимов индикации/конфигурации. При этом в устройстве имеется возможность конфигурации частоты в широком диапазоне, для чего использование кнопок управления будет неудобным. Поэтому в устройстве также необходимо использование поворотного энкодера для оптимизации процессов конфигурации устройства.
- Для выполнения требования (5) необходимо использование текстового ЖКИ. Индикатор в данном случае необходим для выполнения конфигурации устройства в ручном режиме (то есть, с использованием кнопок и поворотного энкодера) для визуального предоставления основных параметров формируемого сигнала в виде буквенно-цифровой информации. Управление выбранного текстового ЖКИ реализуется с использованием 4-битной шины данных.
- Для выполнения требования (6) необходимо подключение внешнего ПК (возможность полуавтоматизированной конфигурации). Для подключения к ПК устройства необходимо наличие последовательного интерфейса микропроцессорных взаимодействий UART [2].
- Цепь питания, представляющая собой цепочку AC/DC преобразователя для получения напряжения постоянного тока +5 В (питание микроконтроллера, ЖКИ) при использовании в качестве источника питания сетевого напряжения 230 В, а также DC/DC преобразователей — повышение постоянного напряжения +5 В в напряжения ±15 В (питание ЦАП и ОУ).
Таким образом, был предложен генератор сигналов произвольной формы на основе микроконтроллера, представленный соответствующей функциональной схемой, на которой отражены особенности интерфейсов взаимодействий и организация цепи питания.
Литература:
- Мартин Т. Микроконтроллеры Atmega. Семейство микроконтроллеров AVR. Вводный курс. — М.: изд. Додэка-XXI, 2010. — 296 с.
- Сартаков, В. Д. Микропроцессорные средства и системы: учебное пособие / В. Д. Сартаков. — Иркутск: ИРНИТУ, 2022. — 156 с.
