1
ÍNDICE:
3.1. Introducción. 3.2. Generadores de función. 3.3. Sintetizadores de frecuencia. 3.4. Generadores de síntesis muestreada. 3.5. Generadores de función arbitraria. 3.6. Generadores de datos. 3.7. Bibliografía.
OBJETIVO:
Describir el principio de funcionamiento y utilización de los generadores de señal más frecuentes para dar una visión panorámica de sus posibilidades.
LECCIÓN 3
GENERADORES DE SEÑAL.
2
GENERADOR DE SEÑAL: Equipo utilizado para producir señales eléctricas que se usan como estímulos en las pruebas del DBE.
CLASIFICACIÓN GENERAL: Generadores de función. Señales de baja y media frecuencia de formas de onda casi ideales básicas. Sintetizadores de frecuencia. Señales de alta frecuencia, muy estables y precisas. Fuentes digitales de señal. Señales complejas similares a las reales o datos binarios.
REQUISITOS BÁSICOS: Frecuencia de salida ajustable y estable. Amplitud de salida variable. Impedancia de salida conocida.
3.1. INTRODUCCIÓN.
3
RANGO DE FRECUENCIA: Desde 0Hz hasta varios MHz.
REQUISITOS OPCIONALES: Forma de onda seleccionable. Control del ciclo de trabajo. Control del nivel de offset. Control externo de la frecuencia (FM, barridos, ...). Control externo de la amplitud (AM, ráfagas, ...). Impedancia de salida fija o seleccionable. Salidas auxiliares (sincronización, niveles lógicos, …)
3.2. GENERADORES DE FUNCIÓN
4
DIAGRAMA DE BLOQUES:
3.2. GENERADORES DE FUNCIÓN
VCO
Offset
ModulaciónAM
Ciclo útil
ModulaciónFM
Ajuste de frecuencia
Ajuste de amplitud
Selección de forma de onda
5
CIRCUITO OSCILADOR VCO:
3.2. GENERADORES DE FUNCIÓN
DVk
VVCT
f
)( 211
)1(
)( 212 D
Vk
VVCT
f
)(
1
2121 VVC
Vk
TTf f
V1
Vc
Vt
T1 T2
V2
VCCS
Vt
V2
SW
VCCSC
Vc
+-
COMP1
213Vf/D
D
Vf
V1
-Vcc
+Vcc
+-
OAMP
213
+-
COMP2
213
R
S
Vf/(1-D)
6
-Vs1
+Vs1
VeVs
-Vs2
+Vs2
-Vsn
+Vsn
R1B
R1A
R2BR2A
D2B
D2A
R2B
R2A
RnBDnBRnA
DnA
RnB
RnA
+-2
13
R1
R2
R1BR1A
D1B
D1A
RiA=RiB i=1..n
CELDABÁSICA
Vs1
Vs2
Vs3
Vs1
Vs2
Vs1
SINTETIZADOR SINUSOIDAL:
3.2. GENERADORES DE FUNCIÓN
22)( Ski
Sk VAV
VG
7
Se utilizan normalmente en alta frecuencia. Oscilador de referencia de precisión. Circuitos de proceso de la señal de referencia. Frecuencia resulta ser un múltiplo entero o fraccionario de la frecuencia de referencia.
TIPOS DE SINTETIZADOR DE FRECUENCIA De Síntesis Directa. De Síntesis Indirecta.
3.3. SINTETIZADORES DE FRECUENCIA
8
3.4. GENERADORES DE SÍNTESIS MUESTREADA
SÍNTESIS DIRECTA
Utilizan divisores y multiplicadores de frecuencia. Resolución y rango depende del número de circuitos.
Ejemplo:
VENTAJAS: Gran velocidad de
cambio de frecuencia.
INCONVENIENTES: Elevado coste. Discontinuidades en la salida. Aparición de señales espúreas.
9
3.4. GENERADORES DE SÍNTESIS MUESTREADA
SÍNTESIS INDIRECTA
F(s) VCODF fr 1/N
1/M
f0
Utilizan divisores de frecuencia y PLL. Frecuencia es un múltiplo fraccionario de la frecuencia del oscilador de referencia. Aumento del rango y de la resolución con economía de circuitos. Respuesta dinámica limitada.
Circuito básico:
N
Mff r0
Frecuencia de salida: N
frResolución:
10
3.4. GENERADORES DE SÍNTESIS MUESTREADA
F(s) VCODF fr 1/N
1/M
f01/P
SÍNTESIS INDIRECTA
Para mejorar la resolución se añade un divisor a la salida.
P
M
N
ff r0
Frecuencia de salida: NP
f rResolución:
11
3.4. GENERADORES DE SÍNTESIS MUESTREADA
SÍNTESIS INDIRECTA
F1(s) VCODF fr1/N
1/M1
f0
1/P2
F2(s) VCODF
1/M2
1/P1
Incluyendo mezcladores se amplia el rango y se mejora la resolución.
Frecuencia de salida:
21
2
1
10 PP
M
P
M
N
ff r Resolución:
21
1
PPN
f r
12
3.4. GENERADORES DE SÍNTESIS MUESTREADA
+
Registro
Acumuladorde fase
Reloj
Constante de frecuencia
Tabla de laforma de onda
D/A FPB
SÍNTESIS DIGITAL DIRECTA: Reconstrucción de una señal a partir de una secuencia uniformemente separada de datos.
Tabla de forma de onda: Contiene la amplitud en función de la fase para una determinada forma de onda.
Acumulador de fase: Permite configurar el incremento del dato fase de entrada a la tabla de forma de onda.
Constate de frecuencia: Número de pasos de fase entre una entrada de a la tabla y la siguiente.
13
3.4. GENERADORES DE SÍNTESIS MUESTREADA
Constate de frecuencia igual a 1: Se recuperan todos los datos del periodo de la forma de onda. Resolución máxima, frecuencia mínima a una frecuencia de reloj determinada.
Constate de frecuencia igual a 4: Se extrae de la tabla un valor de cada cuatro. Aumenta la frecuencia y disminuye la resolución manteniéndose el número total de puntos a la entrada del convertidor.
CAMBIO DE LA BASE DE TIEMPOS
14
3.4. GENERADORES DE SÍNTESIS MUESTREADA
CONVERSIÓN D/A Y FILTRADO DE SALIDA
VENTAJAS: Gran velocidad de cambio de frecuencia. Elección arbitraria de la referencia de fase. Posible mejora de la resolución y la exactitud. Posible funcionamiento como generador de función.
INCONVENIENTES: Rango limitado de frecuencias (0..10MHz). Desventajas propias de un sistema de muestreo.
15
3.4. GENERADORES DE SÍNTESIS MUESTREADA
ESPECIFICACIONES: Velocidad de muestreo. Velocidad máxima de extracción y conversión de los datos de la memoria (100MS/s ÷ 2,6GS/s). Resolución vertical. Número de bits del convertidor D/A. Resolución horizontal. Número de bits del acumulador de fase. Profundidad de memoria. Al aumentar el tamaño de la memoria se mejora de la calidad de la señal y se reduce la distorsión. Rango de frecuencia. Limitado por la frecuencia de muestreo y la profundidad de la memoria. Velocidad de cambio de frecuencia. Tiempo de estabilización del circuito ante cambios de frecuencia (100Hz). Algunos ciclos de reloj en síntesis muestreada. Calidad de la señal. Modulación de fase y señales espúreas.
16
3.5. GENERADORES DE FUNCIÓN ARBITRARÍA
Basados en generadores de síntesis directa:
AFG (Arbitrry Function Generator): Formas de onda básicas. Procesos de adquisición y edición limitados.
AWG (Arbitrary Waveform Generator). Con características mejoradas.
D/AConstante
de frecuencia
Salidasintetizada
+
Registro
Acumuladorde fase
Reloj
Tabla RAM deformas de onda
D/A FPBCarga de formas
de onda
17
3.5. GENERADORES DE FUNCIÓN ARBITRARÍA
MODOS DE FUNCIONAMIENTO: Secuenciación de formas de onda:
Modo normal. Looping. Jumping. Linking.
Filtrado selectivo
18
MODOS DE ADQUISICIÓN: Librería de formas de onda. Array digital Ecuación. Adquisición desde osciloscopio digital. Generación con herramientas gráficas. Adquisición desde digitalizador o scanner.
EDICIÓN DE FORMAS DE ONDA: Edición gráfica. Escalado. Operadores algebraicos.
3.5. GENERADORES DE FUNCIÓN ARBITRARÍA
19
Los DG son herramienta utilizada en ensayo de sistemas digitales. Generan cadenas binarias complejas con características analógicas y digitales parametrizables.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES: Secuenciamiento: Generación de cadenas digitales complejas con uso óptimo de memoria. Múltiples salidas: Para la conexión a buses y sistemas digitales complejos. Compatibilidad con otros equipos digitales de ensayo: Analizadores lógicos, osciloscopios digitales, simuladores, emuladores, etc. Visualización compleja: Cronogramas complejos, cursores, marcadores, herramientas de edición, etc.
3.6. GENERADORES DE DATOS
20
3.6. GENERADORES DE DATOS
Visualización de un GENERADOR DE DATOS multicanal
21
3.6. GENERADORES DE DATOS
Diagrama de bloques de un GENERADOR DE DATOS
22
3.6. GENERADORES DE DATOS
FUNCIONES DEL BLOQUE ANALÓGICO DE SALIDA:
Perturbaciones de amplitud.
Programación de la pendiente de los flancos.
Perturbaciones de la posición temporal de los flancos (jitter).
23
3.7. BIBLIOGRAFÍA
[1] “Electronic Instrumentation Handbook”, Clyde F. Coombs (Mc Graw Hill).
[2] “An Overview of Signal Source Technology and Applications”, Tektronix (nota de aplicación).
[3] “Fractional-N PLLs”, EBV wireless (Nº2 Marzo 1998).
[4] “Integrated LNA and Mixer Basics”, National Semiconductor (nota de aplicación 884).
[5] “Phase-Locked Loop Based Clock Generators”, National Semiconductor (nota de aplicación 1006).
24
+15-15
-15
+15
+15
+15-15
-15
+15-15
+15
-15
Vin Vc
Vsin
Vin
Vt
R18
10KQ1
C548
+ C2100U
+ C3100U
J1
CON5
12345
R11
R12
R13
R14
R15
4K7
+
-
U3
LM741
TL081
3
26
7 14 5
+
-U1
LM741
TL081
3
26
7 14 5
+
-
U2
LM741
TL081
3
26
7 14 5
D1
1N4148
D2
1N4148
C1R16 R17
R1 R2
R3
R10
R5 R6
R4 R7
R9
R8
X2
X1
X3
X0
f(kHz)=Vin(V) SALIDA TRIANGULAR
SALIDA CUADRADASALIDA SENOIDAL
DISEÑO DE UN GENERADOR DE FUNCIÓN (PRACTICA 2)
VCO SINTETIZADOR SENOIDAL
25
+15-15
-15
+15
+15
+15-15
-15
+15-15
+15
-15
Vin Vc
Vsin
Vin
Vt
R18
10KQ1
C548
+ C2100U
+ C3100U
J1
CON5
12345
R11
R12
R13
R14
R15
4K7
+
-
U3
LM741
TL081
3
26
7 14 5
+
-
U1
LM741
TL081
3
26
7 14 5
+
-
U2
LM741
TL081
3
26
7 14 5
D1
1N4148
D2
1N4148
C1R16 R17
R1 R2
R3
R10
R5 R6
R4 R7
R9
R8
X2
X1
X3
X0
f(kHz)=Vin(V)
10V
-10V
15V
-15V
Vt
Vc
DISEÑO DEL VCO
26
+15-15
-15
+15
+15
+15-15
-15
+15-15
+15
-15
Vin Vc
Vsin
Vin
Vt
R18
10KQ1
C548
+ C2100U
+ C3100U
J1
CON5
12345
R11
R12
R13
R14
R15
4K7
+
-
U3
LM741
TL081
3
26
7 14 5
+
-U1
LM741
TL081
3
26
7 14 5
+
-
U2
LM741
TL081
3
26
7 14 5
D1
1N4148
D2
1N4148
C1R16 R17
R1 R2
R3
R10
R5 R6
R4 R7
R9
R8
X2
X1
X3
X0
f(kHz)=Vin(V)Q1 OFFDISEÑO
R12 = R13 = 10k
R11 = 2R
R = R14+ kR15
k ≈ 0,5
R11·C1=1,25·10-5
C1 = 1 nF
R11 = 12,5k
R = 6,25k
R14 ≈ 4k
2R17 = R16
R17 = 5k
R16 = 10k
11
)(
R
VVin
2
Vin
11
)2/(
R
VinVin 112R
Vin
Q1 ON
R
Vin
2R
1122 R
Vin
R
Vin
112R
Vin
1122 R
Vin
R
Vin
RR 211
Corriente de carga
Corriente de descarga
Igualando las corrientes (D=0,5)
tC
I
1T/4
10V
1041
T
C
I 1041112
fCR
Vin
11180 CR
Vinf
F(kHz)=Vin(V)
tC VR
RV
16
171
VVt 10
VVC 15
DISEÑO DEL VCO
27
DISEÑO
R1 = R10 = 10k
R3║R10 = R2║R10= (R1)/2
R3 = R2 = 10K
R5 = R3 = R4 = R2 = 10k
Vref = 5V (-5V)
R6 = R7 = 2k
R8 = R9 = 1k
+15-15
-15
+15
+15
+15-15
-15
+15-15
+15
-15
Vin Vc
Vsin
Vin
Vt
R18
10KQ1
C548
+ C2100U
+ C3100U
J1
CON5
12345
R11
R12
R13
R14
R15
4K7
+
-
U3
LM741
TL081
3
26
7 14 5
+
-
U1
LM741
TL081
3
26
7 14 5
+
-
U2
LM741
TL081
3
26
7 14 5
D1
1N4148
D2
1N4148
C1R16 R17
R1 R2
R3
R10
R5 R6
R4 R7
R9
R8
X2
X1
X3
X0
f(kHz)=Vin(V) Vt
10V
-10V
Vt Vsin
6V
-6V
DISEÑO DEL SINTETIZADOR SENOIDAL
GANANCIA -1
GANANCIA -0,5
tVR
RV
1sin
535sin RRR
VVV refref
Vref
V0
VVAK 5,0
2
65,0
ref
ref
VV
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