Трёхфазный ИНЧ генератор треугольного сигнала, Нужна схема или идея Опции

[Tuvalu]

Здравствуйте!
Хорошо известна схема генератора треугольного сигнала, построенная по принципу "интегратор-компаратор" - см. рисунок. Требуется подобный, но трёхфазный ИНЧ генератор (частотой 0,1...10 Гц) - три выхода с разностью фаз в 120°. Крайне желательно частоту (Rate) регулировать одинарным потенциометром, уровень вых. сигнала (Depth) - как получится; видимо, придётся ставить что-то вроде (синхронно) управляемых напряжением аттенюаторов (потенциометров, VCA...).


Сообщение отредактировал Tuvalu - May 2 2015, 01:56

[kovigor]

ИНЧ генератор

А что такое "ИНЧ" ? А так - проще всего сделать на МК, например, с тремя восьмиразрядными портами. На каждый порт по ЦАП'у на резисторах. Таблицы значений сигналов (три) в памяти МК. Дальше - циклический перебор и выдача на ЦАПы значений из таблиц. Для таких частот - самое лучшее и простое, ИМХО. Регулировать частоту программно, потенциометром, подключенным к АЦП МК, или же меняя тактовую частоту МК (тактируя его от внешнего генератора с изменяемой частотой) ...

[Меджикивис]

[Это смотря какая частота нужна автору. А то и быстродействия может не хватить.](зачеркнуто) Сорь, что-то невнимательно прочитал топик...

Таблицы значений сигналов (три) в памяти МК.

Одна. И затем циклический выбор из нее по трем указателям, смещенным на треть.
Но поскольку нужен треугольник, то можно сделать еще проще: просто инкремент-декремент трех переменных.

проще всего сделать на МК, например, с тремя восьмиразрядными портами.

Для 10 Гц проще взять ЦАПы с SPI, тогда и одним портом обойтись можно.


Сообщение отредактировал Меджикивис - May 2 2015, 17:21

[Tuvalu]

А что такое "ИНЧ" ?

Инфра Низко Частотный.

Это смотря какая частота нужна автору. А то и быстродействия может не хватить.

Я же написал: 0,1...10 Гц.

Так и знал. Я не разбираюсь в МК. Вообще. Требуется аналоговое решение.

Сообщение отредактировал Tuvalu - May 2 2015, 11:21

[Меджикивис]

Для низкочастотного диапазона микроконтроллер - вне конкуренции.
Аналоговое решение будет чрезвычайно громоздким и нестабильным.

Если Вы не можете программировать, то предлагаю собрать "на рассыпухе" - то есть на простых логических элементах, а-ля К155, К176 или К561.
Берете три реверсивных счетчика, подключаете к ним три ЦАП-а и еще немного логических элементов, переключающие счет вперед-назад.

Чисто аналоговое решение может быть таким:
Этот самый генератор, который на вашем рисунке. И к нему еще два таких же интегратора, но переключаемые не компараторами, а триггерами Шмитта, настроенными на срабатывание на 1/3 от величины тругольника, даваемого первым.
Один от прямого сигнала, другой - от инвертированного. Таким образом, один дополнительный интегратор будет срабытывать на 1/3 нарастания исходного треугольника, а другой - на 1/3 спада.
Оба дополнительных интегратора должны питаться тем же задающим напряжением с потенциометра, нужно только ввести ключи, перевертывающие полярность этого напряжения (заряд-разряд).
На приведенной схеме это автоматически получается от компаратора, но тут мы так прямо завести не можем, потому что для трех интеграторов переворот полярности происходит не одновременно, а у каждого в свой момент.
То есть надо полярность менять, а абс.величину оставить одну и ту же - задаваемую одною ручкой.
Но по точности, стабильности и габаритам аналоговое решение будет значительно проигрывать ЦАП-ам.

[Tuvalu]

Меджикивис, спасибо!

Для низкочастотного диапазона микроконтроллер - вне конкуренции.
Аналоговое решение будет чрезвычайно громоздким и нестабильным.

Да, уж... А насколько сложна поставленная задача для первого проекта на МК? Может, и правда, начать с этого, как по-вашему?
Сколько примерно потребуется времени при боле-менее регулярных занятиях "по вечерам" - неделя, месяц, год? Какой МК оптимален для этой задачи? Можно ли уложиться в 1мА потребления?

Сообщение отредактировал Tuvalu - May 2 2015, 15:00

[Меджикивис]

Я думаю, что взявшись за микроконтроллеры, Вы значительно выиграете: в дальнейшем МК дадут Вам много преимуществ.
Кроме того, нету лучшего способа изучить что-нибудь, чем иметь хорошую задачу, которую на практике хотелось бы решить. И такая задача у Вас как раз есть
"Рекомендовать" не буду, скажу только, как сам начинал.
Я работаю с микроконтроллерами PIC. Этот выбор сделал потому, что для них есть язык программирования Pic-Basic Pro, а Бейсик я уже знал хорошо.
Чтобы контроллер работал, созданный код программы надо поместить в его постоянную память, то есть запрограммировать контроллер, говорится "прошить" микросхему.
Для этого нужен программатор. Для PIC программатор чрезвычайно прост, пара транзисторов, несколько диодов. Подключается к компьютеру через COM-порт. Софт для такого программатора есть бесплатный, я пользуюсь "IC-prog".
Ну и на этом для начала достаточно. У меня ушла приблизительно неделя и по большей части на подборку программатора и софта к нему.
Продаются современные универсальные программаторы, подключаются через USB, к ним прилагается весь необходимый софт, но такая коробочка стоит дорого, под 10 тыс.руб. ориентировочно.

Сейчас еще появился модульный микроконтроллерный набор Ардуино, это вообще почти как кубики "Лего". Многим нравится, но я не пробовал никогда, так что об этом расскажут другие. Мне и PIC-ов вполне достаточно. Тем более, что давние (простые и дешевые) PIC-и, такие как PIC16F84A, весьма "дубовые" - в смысле устойчивы к помехам и как раз годятся для моих задач.
Для вашей тоже.

Можно ли уложиться в 1мА потребления?

Можно.
PIC-и с этой стороны не очень, есть другие серии микроконтроллеров, особо микромощные. Народ подскажет, надеюсь.

[stells]

PIC-и с этой стороны не очень, есть другие серии микроконтроллеров, особо микромощные.

сгенерить 10Гц особая скорость не нужна, а с часовым кварцем наверное любой контроллер в 1мА уложится

[Меджикивис]

Ему же не прямоугольник надо 10 Гц.
Пусть возьмем 10-разрядный ЦАП. Значит нужно сделать 1000 шагов за полупериод - 20кГц.
А если это ЦАП с последовательной загрузкой, 10 бит - еще в 10 раз больше - 200 кГц. Да еще на вычисления тоже что-то нужно оставить.
Вычисления по-минимуму следующие:
1. Переслать по указателю очередной бит в порт
2. Установить клок
3. Сбросить клок
4. Инкрементировать указатель
5. Проверить, все ли биты переданы
6. если нет, перейти к п.1
Если каждая из команд выполняется только за один такт, то 200кГц * 6 = 1200кГц
Всё это- на 3 ЦАПа - 3.6 Мгц итого.
Как раз в 100 раз поболее часового кварца



Сообщение отредактировал Меджикивис - May 2 2015, 18:51

[kovigor]

А насколько сложна поставленная задача для первого проекта на МК?

Тривиальная задача. Берете какую-нибудь ATMega8515 и делаете сначала один канал, а не три, это совсем просто. Сделаете и все сами поймете. Программатор - PonyProg или AVReal. Среда разработки - Codevision. С нуля (полного) можно сделать недели за две - три ...

[Plain]

Возвращаясь к тематике раздела форума, т.е. первоначально запрошенному аналоговому способу — например, решение в лоб:

1) регуляторы частоты и амплитуды буферируются — сигналы +F и +A соответственно;

2) инвертирующими усилителями (инверторами) создаются сигналы –F и –A;

3) +F и –F, через аналоговый ключ SW1, переключающий между ними, поступают на вход интегратора (резистор);

4) +A и ноль, через аналоговый ключ SW2, переключающий между ними, поступают на вход компаратора интегратора;

5) выход этого компаратора соответствующе переключает SW1 и SW2;

6) полученный таким образом на выходе интегратора треугольник вдвое ниже рабочей частоты преобразуется в пилу номинальной частоты — посредством добавления инвертора относительно A/2 и аналогового ключа SW3, переключающего компаратором интегратора между ними;

7) из полученного таким образом линейного сигнала фазы S1 создаётся сдвинутый на 120° сигнал S2 — прибавлением к нему одним суммирующим усилителем X2a=S1–A/3, а вторым X2b=S1+2A/3, и компаратора X2a>0, переключающего аналоговым ключом SW4 между ними;

8) аналогично создаётся и сигнал S3, т.е. сдвинутый на 240° — прибавлением X3a=S1–2A/3 и т.п.;

9) сигналы S1, S2 и S3 одинаковым образом преобразовываются в треугольные — посредством добавления к ним инверторов относительно A/2 и компараторов Sx>A/2, переключающих аналоговыми ключами между ними.

[agregat]

У решения с микроконтроллером есть один недостаток, это дискретность выходного сигнала. Неизвестно до какой гармоники автору нужен чистый сигнал пилы.
А вот аналоговое решение по моему довольно простое. Ставим три генератора пилы. И зажимаем входы компараторов аналоговыми ключами. В начальном положении компараторы не работают так как их входы подключены на землю аналоговыми ключами.
Далее берем конденсатор и к нему источник тока который его заряжает. Получаем линейно растущее напряжение по времени.
Подключаем к нему три компаратора,у каждого свой порог соответствует фазе. Конденсатор в начальном положении подключен кнопкой к земле, то есть разряжен.
После чего отпускаем кнопку пуска.
1. Конденсатор начинает заряжаться постоянным током и на нем линейно растет напряжение по времени. Компараторы срабатывают один за другим и отпускают по очереди генераторы пилы. Генераторы пилы запущенные в разные моменты времени вырабатывают пилу со сдвигом по фазе.
2. Разброс по фазе регулируется порогами срабатывания компараторов подключенных к конденсатору.

Если задача сделать разбег по фазе регулируемым одним резистором тут нана подумать.
Все.

[stells]

Генераторы пилы запущенные в разные моменты времени вырабатывают пилу со сдвигом по фазе.

чем обеспечивается постоянство фазы?

[Меджикивис]

У решения с микроконтроллером есть один недостаток, это дискретность выходного сигнала.

Да, есть такое, и это принципиально. Цифровые схемы всегда работают шажками, ступенчато. Но размер этих шагов (дискрету) можно сделать достаточно мелким, чтобы он был на уровне допустимого шума.
В противном случае, сгладить гармоники, начинающиеся с двухсотой - не составляет значительной проблемы.

чем обеспечивается постоянство фазы?

Тогда уж проще получить со счетчика Джонсона три строго смещенных прямоугольника и пропустить их через интеграторы.
Однако, тогда встает задача поддержания постоянства амплитуды с изменением частоты. Видимо, придется вводить следящую схему на каждом интеграторе. А ведь должны быть такого рода специализированные микросхемы... АРУ это частая задача.

[Меджикивис]

Итак, целый день ломания головы дал изумительно простое и красивое решение



Я думаю, всё понятно без особых слов. Со сдвигового регистра в режиме деления на 3 получаем три прямоугольника, смещенные на 120 град.
Идея заключается в том, чтобы сложить их на элементах "исключающее или" с частотой, немного отличающейся. В результате того, что частоты медленно "плывут" друг по другу, на выходах "исключающего или" создается ШИМ, который надо сгладить - и получатся медленные треугольники, смещенные на треть, с частотой, равной разнице исходных частот.

Триггер Шмитта применен в качестве инвертора потому, что дальше на них можно сделать генераторы частот.
Как и требовалось, перестройка одной частоты, одной ручкой.


примечание: Частота сравнения (10.01 кГц по рис.) должна иметь скважность строго 2, иначе треугольник не получится.
Точную скважность 2 проще всего получить, пропустив сигнал через счетный триггер.



Сообщение отредактировал Меджикивис - May 4 2015, 05:02

[Guest_TSerg_*]

Ok

[Меджикивис]

Дальнейшее развитие идеи.
Можно заметить, что получение достаточно высокой, но стабильно отличающейся на сотые доли частоты, на практике представляет собой определенную трудность. И если 10.01 кГц получить еще можно, то 10.001 это уже большая проблема.
Я бы предложил сделать так: поставить на вход каждой частоты по счетчику-делителю, например 4024 (на 128), а на вход частоты сравнения - еще и делитель на 3 (проще всего - такой же сдвиговый регистр).
В результате обе линии можно запустить от одного генератора частоты - и они, имея одинаковый коэффициент деления, будут работать синхронно.
А к одному из счетчиков на вход добавлять поштучно дополнительные импульсы. Для этого можно использовать оставшийся (четвертый) элемент "исключающее или"

С каждым дополнительным импульсом частоты на выходе будут сдвигаться на 1/384 периода ШИМ. То есть маленькими такими шажками, которые должен давать низкочастотный мультивибратор. Его частотой и будет определяться частота треугольников.
А высокая частота, питающая оба счетчика, определит период ШИМа.

Впрочем, автор может пойти в формировании частот аналоговым путем и добавить к частоте маленькую дробь при помощи однополосного модулятора например, но так он в 1 мА вряд ли уложится, мне думается.

[Tuvalu]

Спасибо всем за идеи!

Итак, целый день ломания головы дал изумительно простое и красивое решение

Меджикивис, спасибо за такое деятельное участие и за очень оригинальную идею!
Пока только осваиваю смешанное а/ц моделирование, поэтому спрошу: а сигнал точно должен получиться треугольным?

Чистота треугольника не очень важна, 10% отклонения от идеала - с головой. Это, помимо прочего, означает, что тактовую частоту можно смело понижать на полтора-два порядка. Правда, для идеи №2 (назовём её так) это уже не важно.

Я бы предложил сделать так: поставить на вход каждой частоты по счетчику-делителю, например 4024 (на 128), а на вход частоты сравнения - еще и делитель на 3 (проще всего - такой же сдвиговый регистр).

Что такое "вход каждой частоты" - входы "искл. ИЛИ"?

А как такая идея. Четверть периода сформировать простейшим ЦАП-ом - двоично-десятичным дешифратором CD4028 с R-цепочкой на выходах. Вторая четверть - реверсирование. 3 и 4 - то же самое + аналоговое инвертирование. Итого 40 ступеней на период. Можно ли всё это как-то упростить (уменьшить кол-во корпусов), учитывая, что таких блоков должно быть 3?

Сообщение отредактировал Tuvalu - May 4 2015, 11:54

[Меджикивис]

а сигнал точно должен получиться треугольным?

При скважности сигнала, равной 2, будет точно треугольным. А после триггеров и регистров он как раз и есть 2.

Чистота треугольника не очень важна, 10% отклонения от идеала - с головой.

Тогда варианта дешевле и беспроблемнее, чем с выше сказанным сглаживанием ШИМ - сомневаюсь чтоб можно было найти.

Что такое "вход каждой частоты"

Это линии, где подписано на рисунке: "30 кГц" и "10.01 кГц".

А как такая идея. Четверть периода сформировать простейшим ЦАП-ом - двоично-десятичным дешифратором CD4028 с R-цепочкой на выходах.

Можно использовать его, но он даст только 10 ступеней и потребует подбора 10 резисторов.
А можно навесить резисторы без дешифратора - прямо на выходы двоичного счетчика. И если эти резисторы будут в пропорции 1кОм, 2кОм, 4кОм, 8кОм (8 - на младший разряд), то вместе они обеспечат 16 ступеней выходного напряжения.
Собственно, это и будет простенький самодельный ЦАП. Но больше 16 ступеней сделать уже трудно: придется подгонять резисторы очень точно.

Вторая четверть - реверсирование. 3 и 4 - то же самое + аналоговое инвертирование. Итого 40 ступеней на период.

Если учесть, что 3 является линейным продолжением 2, то проще формировать полупериод целиком. А количество ступеней наращивать, увеличивая разрядность счетчика. Понадобится всего еще один разряд, чтобы увеличить количество ступеней вдвое.
В любом случае, даже плохо фильтрованный ШИМ будет качественнее, чем зубчатая линия с 40 ступенями.

Можно ли всё это как-то упростить (уменьшить кол-во корпусов), учитывая, что таких блоков должно быть 3?

Реверсивные счетчики не настолько сложны, сколько по мелочам громоздки. Потребуется "обвязка" из логических элементов, определяющая, достиг ли уже счетчик конца или начала, и при переключении направления не получится ли дополнительный перепад, по которому счетчик перекинется в следующее или предыдущее состояние, когда не надо. Мелочи конечно, но схема разрастается в некоторый "огород".
Кроме того, в КМОП-сериях реверсивные только четырехразрядные, это маловато; придется состыковывать их по два последовательно. В принципе не проблема, но опять же, лишний огород.
Счет в обратную сторону можно имитировать, подключив на выходы нереверсивного счетчика элементы "исключающее или" и получая при их помощи дополняющий код. Но - какая разница - все равно лишние корпуса микросхем-то ставить придется.
В сумме меньше по кол-ву корпусов, чем с ШИМ-ом, не получается, я уже это продумывал...

[добавлено:] А ведь со счетчиками придется продумывать еще - как заставить 3 счетчика считать синхронно, но с постоянным рассогласованием в 1/3? На это тоже логические элементы понадобятся вероятно...


ЦАПы хороши тем, что могут синтезировать произвольную форму, а решение с ШИМ-ом - треугольник только! - и баста. Но ведь в данном случае именно он Вам и нужен?

[добавлено:] ЦАП (не самодельный, а микросхема-ЦАП) хорош еще тем, что регулируя опорное напряжение, одно для всех трех, можно синхронно изменять амплитуду треугольника на всех трех выходах одной ручкой.
Но хотя этим микросхемы экономятся - в целом их получается больше, поскольку обеспечение работы ЦАПа сложнее.

Я бы предложил сделать так: поставить на вход каждой частоты по счетчику-делителю, например 4024 (на 128)

Если ступенчатость треугольника Вам не вредит, то можно поставить К561ИЕ10 (4520) - два 4-разрядных счетчика в одном корпусе. Один из которых на одну линию, второй - на другую.
Вместе с делением регистром на 3, будет 16*3=48 ступеней.
В общей сумме получается 5 корпусов, включая триггеры Шмитта, на которых сделать мультивибраторы, задающие частоту.

[добавлено:] Вместо 4094 лучше применить 4018, она не требует дополнительного инвертора. (Сорь, не сразу обнаружил).



Сообщение отредактировал Меджикивис - May 4 2015, 16:12

[Plain]

Аналоговый вариант №2, тоже практически в лоб:

1) регуляторы частоты и амплитуды буферируются — сигналы +F и +A соответственно;

2) инвертирующим усилителем (инвертором) создаётся сигнал –F;

3) +F и –F, через аналоговый ключ SW1, переключающий между ними, поступают на вход интегратора (резистор);

4) +A и ноль, через аналоговый ключ SW2, переключающий между ними, поступают на вход компаратора интегратора;

5) выход этого компаратора соответствующе переключает SW1 и SW2;

6) полученный на выходе компаратора прямоугольный сигнал втрое больше рабочей частоты подаётся на делитель на 3;

7) инвертором из треугольника +T с выхода интегратора создаётся сигнал –T;

8) три выхода схемы являются выходами трёх суммирующих усилителей S1, S2 и S3;

9) на примере усилителя S1 — 6 отрезков периода номинальной частоты t0...t5, созданных логикой из сигнала компаратора и делителя, коммутируются ею на его вход:

а) во время интервала t0 подключён +T;
б) во время интервала t1 подключён –T;
в) во время интервала t2 подключён +T;
г) во время интервала t3 подключён +T;
д) во время интервала t4 подключён –T;
е) во время интервала t5 подключён +T;
ё) во время интервала t1...t4 дополнительно подключён +2A.

На выходе схемы, соответственно, будут сигналы амплитудой –3A, поскольку суммирующие усилители инвертирующие.

Итого, один компаратор, 8 ОУ, аналоговые ключи и простая логика.

[Меджикивис]

Проект в Протеусе, 5 микросхем.
Сорь, но "высокочастотный" мультивибратор оказался суров, Протеус написал о нехватке ресурсов и отказался стартовать.
Пришлось заменить его стандартным источником частоты.

Эскизы прикрепленных изображений

 

Прикрепленные файлы

 model.zip ( 16.84 килобайт ) Кол-во скачиваний: 9

 

[Tuvalu]

Проект в Протеусе, 5 микросхем.
Сорь, но "высокочастотный" мультивибратор оказался суров, Протеус написал о нехватке ресурсов и отказался стартовать.
Пришлось заменить его стандартным источником частоты.

Фантастика, целый проект! Даже не знаю, как Вас благодарить. Очень изящное решение - 5 корпусов, даже не верится.
Вообще-то, я давным-давно видел схему какого-то советского клавишного инструмента, так там 3F3 - как Вы удачно его назвали - был реализован ни рассыпухе - сложным образом закольцованные транзисторные мультивибраторы. Короче, вагон деталей, но работало, ведь. Вот, я и подумал, что должны существовать подобные схемы на ОУ. А тут дело приняло такой оборот... Ещё раз спасибо!

Plain, и Вам спасибо! Хотя, честно говоря, я пока ничего не понял. Попробую начертить то, что Вы описали словами, тогда и отреагирую как-то.

Сообщение отредактировал Tuvalu - May 5 2015, 21:08

[Меджикивис]

Всегда пожалуйста мне тоже было интересно)))