Signalgeneratoren (Funktionsgeneratoren) werden für den gesamten technischen Frequenzbereich benötigt. Die wichtigsten Signalformen sind periodische Sinus-, Rechteck-, Dreieck und Rampensignale (Sägezahn). Anwendung finden Signalgeneratoren beispielsweise in Taktgeneratoren, bei der Datenübertragung, oder Analyse von Systemen und Funktionseinheiten, als Zeitbasisgeneratoren oder als Modulatoren, in Prüfgeräten und bei vielen weiteren Aufgaben.
Das Unternehmen Wilke Technology GmbH entwickelt und produziert Mikrocontroller mit dem Namen Basic-Briefmarke und BASIC-Tiger. Die Basic-Briefmarke ist ein 8 Bit Mikrocontroller. Der BASIC-Tiger ist dagegen ein 32 Bit-Mikrocontroller. Meine Aufgabe im Rahmen der Dipl.-Arbeit ist es jetzt mit Hilfe des BASIC-Tigers einen Funktionsgenerator zu entwickeln und zu bauen. Kernstück des Funktionsgenerators ist ein Funktionsgenertor-baustein der Firma Maxim mit der Bezeichnung MAX038. Die Aufgabe des BASIC-Tigers ist es die vom Anwender erwünschten Signalformen, Frequenzen und Amplituden, die über ein Touchscreen oder Tastatureingegeben werden, an den MAX038 weiterzugeben. Der Funktionsgenerator soll Spannungen im Bereich von 0,1 V bis 10 V und Frequenzen von 10 Hz bis 10 MHz ausgeben können.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung der Diplomarbeit
2 BASIC-Tiger
2.1 Blockschaltbild des BASIC-Tigers
2.2 Das Bussystem des BASIC-Tigers
2.3 Das erweiterte I/O-System des BASIC-Tigers (ePorts)
2.3.1 Die logischen Adressen
2.3.2 Die physikalischen Adressen
2.4 Ausgangsbausteine und Eingangsbausteine
2.5 Das Tiger – Basic – Device – Konzept
2.6 Multitasking
3 MAX038
3.1 Zeit- und Frequenzeinstellungen
3.1.1 Eingang FADJ
3.1.1.1 Deaktivierung von FADJ
3.1.2 Eingang DADJ
3.1.3 Durchstimmung der Frequenz
4 Die Schaltung
4.1 Blockschaltbild der Schaltung
4.2 Beschreibung der Schaltung
4.2.1 Sukzessive Approximation
4.2.2 R-2R-Verfahren
4.3 Grobabstimmung der Frequenz des MAX038
4.3.1 Analogschalter für Kondensatorauswahl
4.3.2 Begrenzte Schrittweite der Frequenz
4.4 Feinabstimmung der Frequenz und Tastverhältnis der Spannung des MAX038
4.4.1 Realisierung und Berechnung der Schaltung
4.4.2 Auswahl des richtigen Operationverstärkers
4.5 Ausgangsverstärker
4.5.1 FET als steuerbarer Widerstand
4.5.2 Ausgangsverstärker mit FET
4.6 Dämpfungsglied
4.7 Ausgangsspannung
4.7.1 Gleichrichter
4.7.2 Umrechnung
4.8 Frequenzmessung
4.9 Theoretische Betrachtung der Ausgangssignale
5 Touch-Panel
5.1 Prinzipschaltung für das Touch-Panel
6 Software
6.1 Flußdiagramm
6.2 Programmlisting
7 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung und Realisierung eines Funktionsgenerators, der über einen 32-Bit-Mikrocontroller (BASIC-Tiger) gesteuert wird. Die Forschungsfrage fokussiert sich auf die präzise elektronische Generierung verschiedener Signalformen (Sinus, Rechteck, Dreieck, Sägezahn) in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 10 MHz bei einer Ausgangsspannung von 0,1 V bis 10 V, unter Verwendung einer Touch-Panel-Bedienoberfläche.
- Implementierung einer Mikrocontroller-gesteuerten Frequenz- und Amplitudenregelung mittels MAX038-Baustein.
- Entwicklung von D/A-Wandler-Schaltungen und Anpassungselektronik zur Signalmanipulation.
- Integration eines Touch-Panels als Benutzerschnittstelle für die manuelle Dateneingabe.
- Aufbau eines geschlossenen Regelkreises zur Frequenzmessung und -nachregelung mittels digitaler Signalverarbeitung.
- Einsatz von Multitasking-fähiger Software zur parallelen Steuerung von Hardwarekomponenten und Benutzeroberfläche.
Auszug aus dem Buch
2.6 Multitasking
Multitasking erlaubt das quasi gleichzeitige Abarbeiten von verschiedenen Programmen auf einem Computer. Dabei werden den einzelnen Programmen Zeitzyklen zugeteilt, in denen jeweils ein oder mehrere Programmschritte abgearbeitet werden, bevor das nächste Programm aufgerufen wird. d.h. die Programme werden tatsächlich abwechselnd abgearbeitet, so daß keines längere Zeit mit der Verarbeitung warten muß. Nötig ist dazu eine spezielle Software, die den einzelnen Programmen übergeordnet ist und den Zeitablauf steuert. Je nach Wahl können einzelnen Programmen Prioritäten zugeteilt werden. Beim Multitasking-Konzept werden nun einzelne Programmteile als sogenannte Tasks geschrieben.
Der BASIC-Tiger arbeitet nun diese, im Prinzip voneinander unabhängigen Tasks nacheinander, nach einem bestimmten Schema, ab.
Das besondere hierbei ist jedoch : Die einzelnen Tasks werden nicht immer komplett abgearbeitet, sondern es wird nach einem bestimmten Zeitraster zwischen den Tasks hin- und hergeschaltet. Hierbei erhalten wichtige Tasks mehr Abarbeitungszeit zur Verfügung gestellt als weniger wichtige Tasks. Natürlich merkt sich der BASIC-Tiger intern, wo er die jeweilige Task beim Umschalten unterbrochen hat und macht dann bei der nächsten Zeitzuteilung für diese Task dort weiter.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt das Ziel der Arbeit, einen durch einen BASIC-Tiger Mikrocontroller gesteuerten Funktionsgenerator mit dem MAX038-Baustein zu entwickeln.
2 BASIC-Tiger: Erläutert die Architektur und die Multitasking-Fähigkeiten des eingesetzten 32-Bit-Mikrocontrollers sowie das Bussystem und die Peripherieanbindung.
3 MAX038: Detailliert die technischen Spezifikationen und die Ansteuerung des Funktionsgeneratorbausteins zur Erzeugung verschiedener Signalformen.
4 Die Schaltung: Umfasst die hardwareseitige Realisierung inklusive Frequenzabstimmung, D/A-Wandlung, Signalverstärkung und Frequenzmessung.
5 Touch-Panel: Beschreibt die Ansteuerung und Auswertung des Touch-Panels als Eingabeeinheit für die Frequenz- und Spannungswerte.
6 Software: Dokumentiert den Programmablauf, die Treiberkonfiguration und die Steuerungslogik zur Regelung der Hardwarekomponenten.
7 Zusammenfassung: Fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und bewertet die Erfüllung der Anforderungen an den Funktionsgenerator.
Schlüsselwörter
Funktionsgenerator, Mikrocontroller, BASIC-Tiger, MAX038, Signalgenerierung, Multitasking, D/A-Wandler, Frequenzregelung, Touch-Panel, Elektronik, Schaltungstechnik, Automatisierung, Fourier-Analyse, Mess- und Regeltechnik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Diplomarbeit behandelt die Entwicklung und den Aufbau eines Funktionsgenerators, der als steuernde Einheit einen 32-Bit-Mikrocontroller (BASIC-Tiger) verwendet.
Welches ist der zentrale Funktionsbaustein?
Das Herzstück der Schaltung zur Signalerzeugung ist der Baustein MAX038 der Firma Maxim.
Welche Ausgangssignale werden unterstützt?
Das System kann Sinus-, Rechteck-, Dreieck- und Sägezahnsignale im Frequenzbereich von 10 Hz bis 10 MHz erzeugen.
Wie werden die Parameter eingestellt?
Die Eingabe der gewünschten Frequenzen und Amplituden erfolgt durch den Benutzer über ein berührungsempfindliches Touch-Panel.
Welche Rolle spielt Multitasking?
Multitasking ermöglicht es dem BASIC-Tiger, gleichzeitig Steuersignale zu generieren, Schnittstellen zu bedienen und das Display zu verwalten, ohne dass der Programmablauf durch rechenintensive Aufgaben blockiert wird.
Wie wird die Ausgangsspannung geregelt?
Die Ausgangsspannung wird über einen aktiven Vollweggleichrichter gemessen und mittels des Mikrocontrollers nachgeregelt, um Nichtlinearitäten und Bauteiltoleranzen auszugleichen.
Wie wird die Frequenzgenauigkeit sichergestellt?
Da der MAX038 toleranzbehaftet ist, wird eine Frequenzmessung implementiert, bei der das Signal ggf. heruntergeteilt und durch den Mikrocontroller nachgeregelt wird.
Was passiert bei einem Frequenzwechsel im laufenden Betrieb?
Der Mikrocontroller berechnet die erforderlichen Steuerspannungen für den MAX038 und passt gegebenenfalls Kondensatorwahl und Teilerverhältnisse an, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten.
- Quote paper
- Joern Bieberle (Author), 1999, Entwicklung und Aufbau eines durch einen Mikrocontroller gesteuertern Funktionsgenerators, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/19379
