Формирователь тестовых сигналов для исследования частотных характеристик операционных усилителей

Формирователь тестовых сигналов для исследования частотных характеристик операционных усилителей, служит для создания входных воздействий на объект тестирования. Данный источник сигналов спроектирован на основе генератора прямого цифрового синтеза. Сигнал генерируется со свойственной цифровым системам точностью, которые практически не подвержены температурному дрейфу и изменению характеристик с течением времени. Следовательно, частоту генерируемого сигнала синусоидальной формы можно задавать с высокой точностью. Нестабильность выходной частоты такого формирователя определяется лишь нестабильностью опорного частотного элемента. Основные преимущества заключаются в следующем: - повышенная стабильность работы формирователя тестовых сигналов; - увеличенная скорость управления генератором; - уменьшенный уровень побочных гармоник в полезном сигнале. Функциональные возможности формирователя тестовых сигналов для исследования частотных характеристик операционных усилителей, делают его идеальным инструментом для проведения целого ряда тестов с различными направлениями и стендовых измерений определенных параметров.

Формирователь тестовых сигналов для исследования частотных характеристик операционных усилителей относится к области измерительной техники и может быть использован в составе аппаратно-программных комплексов, позволяющих решать задачи по измерению параметров операционных усилителей.

Из известных наиболее близок по технической сущности формирователь сигналов, входящий в состав программно-аппаратного комплекса «СКАТ» (Сокольский Р. Программно-аппаратный комплекс «СКАТ» для измерения АЧХ четырехполюсников // РАДИО, 2011. - 9. - С.25-28), работающий в диапазоне частот 0,05-50 МГц. В его основе лежит генератор прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesis - DDS) содержащий: персональный компьютер, преобразователь напряжения, интерфейс управления, конвертор цифрового кода (МК), генератор прямого цифрового синтеза, фильтр нижних частот, усилитель, измерительную схему, тактовый генератор и опорный кварцевый генератор.

На фиг.1 изображена структурная схема прототипа формирователя сигналов входящего в состав программно-аппаратного комплекса «СКАТ». Устройство (фиг.1) содержит:

1 - персональный компьютер;

2 - преобразователь напряжения;

3 - интерфейс управления;

4 - микроконтроллер;

5 - генератор прямого цифрового синтеза;

6 - фильтр нижних частот;

7 - усилитель;

8 - измерительная схема;

9 - тактовый генератор;

10 - опорный кварцевый генератор.

Управление генератором осуществляется от микроконтроллера (4), с использованием последовательного интерфейса. Данные от персонального компьютера (1) поступают через преобразователь интерфейса USB - FiFo (3) в микроконтроллер (4), выполняющий функцию преобразования цифрового кода. Питание основных блоков формирователя осуществляется от персонального компьютера (1) через преобразователь напряжения (2).

Управляющие сигналы от микроконтроллера (4) поступают на управляющий вход генератора прямого цифрового синтеза (5). С синфазного выхода генератора (5) выходной сигнал поступает на фильтр нижних частот (6), а затем на масштабирующий усилитель (7). С выхода усилителя (7) сигнал поступает на измерительную схему (8). Тактирование микроконтроллера (4) осуществляется, от тактового генератора (9). Опорный кварцевый генератор (10) подает сигнал опорной частоты в генератор прямого цифрового синтеза (5).

Недостаток прототипа заключается в том, что он обладает низкой нагрузочной способностью по выходному току, обусловленной питанием устройства от USB порта ПК, наличием побочных гармоник в выходном сигнале, обусловленных использованием синфазного выхода генератора вместо дифференциального, низким быстродействием, так как управление генератором осуществляется медленно при загрузке данных последовательным кодом по сравнению с параллельной загрузкой.

Предлагаемая полезная модель направлена на улучшение характеристик измерительного оборудования.

Техническим результатом является повышение стабильности работы формирователя, улучшение характеристик выходного сигнала, а также увеличение скорости перестройки частоты генератора.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее персональный компьютер, преобразователь напряжения, интерфейс управления, микроконтроллер, генератор прямого цифрового синтеза, фильтр нижних частот, усилитель, измерительную схему, тактовый генератор и опорный кварцевый генератор согласно предлагаемой полезной модели дополнительно введены следующие блоки: источник питания соединенный с преобразователем напряжения, имеющим отдельные линии питания для интерфейса управления, программируемой логической интегральной схемой, генератором прямого цифрового синтеза и дифференциальным усилителем, программируемая логическая интегральная схема примененная вместо микроконтроллера связанная с интерфейсом управления и генератором прямого цифрового синтеза, кроме того введен дифференциальный усилитель, связанный с выходами генератора прямого цифрового синтеза через два фильтра нижних частот, фильтр нижних частот с высокой крутизной частотной характеристики, связывающий дифференциальный усилитель с измерительной схемой.

Питание цифровой и аналоговой частей осуществляется от отдельных линий питания, используется способ параллельной загрузки управляющих команд в генератор, используется дифференциальный выход генератора, в схему добавлен дополнительный фильтр, устраняющий наложение спектров. Применение раздельных линий питания позволяет уменьшить проникновение цифровых управляющих сигналов в выходной сигнал формирователя. При этом также уменьшается уровень гармоники тактовой частоты.

Для формирования параллельного потока управляющих сигналов вместо микроконтроллера была применена программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). Ее применение позволило значительно сократить время загрузки.

Использование дифференциального выхода генератора также уменьшило уровень побочных гармоник в полезном сигнале, т.к. большинство помех действует на оба выхода генератора.

Устранить попадание верхних гармоник, лежащих выше тактовой частоты в полезный сигнал (наложение спектров) возможно путем применения выходного фильтра высокого порядка. Использован эллиптический фильтр.

Использование описанных элементов позволяет решить поставленные задачи.

На фиг.2 представлена структурная схема формирователя тестовых сигналов для исследования частотных характеристик операционных усилителей. Устройство (фиг.2) содержит:

1 - персональный компьютер;

2 - преобразователь напряжения;

3 - интерфейс управления;

4 - программируемая логическая интегральная схема;

5 - генератор прямого цифрового синтеза;

6 - фильтр нижних частот;

7 - дифференциальный усилитель;

8 - измерительная схема;

9 - тактовый генератор;

10 - опорный кварцевый генератор.

11 - источник питания;

12 - фильтр нижних частот с высокой крутизной частотной характеристики.

С персонального компьютера (1) через универсальную последовательную шину данных (USB) код управления поступает на интерфейс управления (3). Интерфейс управления выполняет протоколы поддержания связи с USB и протоколы передачи данных, тем самым позволяя персональному компьютеру (1) идентифицировать устройство и осуществлять передачу данных, используя управляющие драйверы интерфейса.

С интерфейса управления (3) управляющие сигналы поступают на вход программируемой логической интегральной схемы (4), осуществляющей преобразование кодов управления. Она позволяет представить управляющие команды в необходимом виде для соответствующего типа потока данных (параллельного или последовательного). Использована загрузка управляющих команд параллельным потоком данных.

В разработанном формирователе, как и в прототипе, используется генератор прямого цифрового синтеза (5). На его управляющий вход с блока 4 поступают управляющие команды. С его помощью производится формирование гармонического тестового сигнала с загруженными параметрами.

С выхода генератора прямого цифрового синтеза (5) сигнал поступает на фильтры нижних частот (6). Это позволяет ослабить побочные гармоники в полезном сигнале. Фильтры нижних частот (6) соединены со входом дифференциального усилителя (7), который обеспечивает согласование выхода генератора с последующими каскадами.

Т.к. в спроектированном формирователе тестовых сигналов использован дифференциальный выход, то использован усилитель (7) с дифференциальным входом. В устройство также введен дополнительный фильтр нижних частот с высокой крутизной частотной характеристики (12), позволяющий устранить эффект наложения спектров. На вход этого фильтра поступает сигнал с выхода дифференциального усилителя (7).

Выходной сигнал с выхода фильтра нижних частот с высокой крутизной частотной характеристики (12) поступает в измерительную схему (8).

Тактовый генератор (9) формирует тактовую частоту для работы программируемой логической интегральной схемы (4). Опорный кварцевый генератор (10) служит для формирования опорной частоты для генератора прямого цифрового синтеза (5).

Питание всех блоков устройства осуществляется от источника питания 11, входящего в состав аппаратно-программного комплекса для измерения параметров операционных усилителей. Это позволит уменьшить влияние помех от источника питания персонального компьютера на работу формирователя. С его выхода питающее напряжение поступает на вход преобразователя напряжения (2).

Формирователь тестовых сигналов для исследования частотных характеристик операционных усилителей, содержащий: персональный компьютер и связанные с ним интерфейс управления и преобразователь напряжения, к выходу которого подключены интерфейс управления, генератор прямого цифрового синтеза, микроконтроллер и усилитель, микроконтроллер связывает генератор прямого цифрового синтеза, тактовый генератор и интерфейс управления, опорный кварцевый генератор соединен с генератором прямого цифрового синтеза, фильтр нижних частот соединяет генератор прямого цифрового синтеза и усилитель, соединенный со входом измерительной схемы, отличающийся тем, что в формирователь тестовых сигналов дополнительно введены: источник питания, соединенный с преобразователем напряжения, имеющим отдельные линии питания для интерфейса управления, программируемой логической интегральной схемы, генератора прямого цифрового синтеза и дифференциального усилителя, программируемая логическая интегральная схема связана с интерфейсом управления и генератором прямого цифрового синтеза, кроме того, дифференциальный усилитель связан с выходами генератора прямого цифрового синтеза через два фильтра нижних частот, фильтр нижних частот с высокой крутизной частотной характеристики связывает дифференциальный усилитель с измерительной схемой.