Generator de Camp Magnetic Caracterizat de Valori Operationale Constante Si Reglabile Intr Un Domeniu Dat Pentru Intensitate Si Frecventa

Cuprins

Introducere 4

Capitolul 1. Generare câmp magnetic constant 7

1.1. Câmp magnetic. Generalități 7

1.2. Sisteme generatoare de câmp magnetic uniform 9

1.3. Soluție propusă pentru generatorul de câmp constant 14

Capitolul 2. Concepte privind soluțiile existente 16

2.1. Generatoare de semnal 16

Capitolul 3. Proiectarea și testarea sistemului………..pag

3.1. Condiții de laborator…………………………………………pag

3.2. Bobinele Helmholtz………………………………………….pag

3.3. Generatorul de semnal……………………………………..pag

3.4. Filtrul trece jos…………………………………………………pag

3.5. Convertorul de curent-tensiune…………………………..pag

3.6. Microcontrolerul……………………………………………….pag

3.7. Blocul de alimentare…………………………………………pag

3.8. Afișajul LCD…………………………………………………….pag

Capitolul 4. Studiu de piață

Introducere

Este un trend actual ca echipamentele electronice sa fie utilizate în evaluarea sau influențarea stării de sănătate sau a nivelului de stres al omului, animalelor sau plantelor.

Lucrarea prezentată reprezintă studiile preliminare și investigații experimentale privind o soluție de minilaborator dezvoltată pentru investigarea efectelor câmpului electromagnetic cu caracteristici diferite ale culturilor vegetale în vitro.

Cultura în vitro a celulelor si țesuturilor plantelor este cunoscută de la începutul secolului al XX-lea. Astăzi ea aparține tehnicilor și metodelor cunoscute ca "biotehnologii vegetale". Domeniile de aplicatii ale biotehnologiei vegetale sunt creșterea industrială a plantelor, genetica, reproducerea plantelor, ingineria genetică, conservarea resurselor genetice. Biotehnologia vegetală permite o mai bună utilizare a resurselor genetice prin creșterea productivității ecosistemelor agricole și valorificarea zonelor cu cultură nefavorabilă.

Teoria inițiala a acestei științe a fost lansată în 1838 de către Schleiden și Schwan. Aceasta susține că celulele vegetale au capacitatea de a regenera plante întregi sau părți de plante. Incercări în cultura în vitro au fost facute de Haberlandt (1902), Nobécourt, Gautheret și White (1939). În conformitate cu principiile acestora au fost dezvoltate aplicatii practice privind cultura in vitro vegetala.

Utilizarea câmpului magnetic în biotehnologii vegetale este un subiect actual, dar nu există soluții generale disponibile pentru intensitate si frecvență. Conceptul de laborator dezvoltat pana acum a fost controlarea câmpului magnetic produs cu bobinele Helmholtz prin ajustarea parametrilor in curent alternativ al bobinelor.

Obiectivul acestei lucrări este acela de a găsi solutii pentru frecvență si intensitate astfel incât să generăm un câmp magnetic uniform si constant. S-a urmărit generarea unui curent constant, deoarece inducția câmpului magnetic depinde de curent si obținerea unei rezoluții de 0,01 Hz într-o gamă de 5 decade de frecvență ( 1 Hz- 100 KHz ).

Pe baza simulării bobinelor Helmholtz cu R = 100 mm si produsului N·I = 1A, având ca rezultat valoarea inducției B = 3μT, a fost proiectat experimental generatorul de câmp magnetic.

Sistemul propus în această lucrare are 4 parți principale: microcontrolerul, afisajul LCD, circuitul DDS si filtrul trece-jos.

În prima etapă a experimentelor a fost folosită o soluție analogică. Sistemul de control al campului magnetic a fost compus dintr-un oscilator in punte Wien realizat cu un amplificator operațional cvadruplu tip LM324 și o sursa de current constant având două convertoare independente de curent analogic realizate cu amplificatorul operaional OPA 544.

În a doua etapă generatorul DDS este folosit pentru a înlocui puntea Wien în proiectarea analogică. Aceeași tensiune la convertoarele de curent implementata folosind amplificatoare OPA544 a determinat genearatorul DDS în noua configurație.

Microcontrolerul este cea mai importanta parte a generatorului. Acesta controlează circuitul DDS, datele afisate de LCD si este raspunzator de sintetizarea semnalului de tact de referinta pentru DDS de la sursa principala de tact reprezentata de cristalul de cuart.

LCD este folosit pentru a afișa informații legate de frecvența curentă si curentul de la ieșire.

Filtrul trece-jos este folosit pentru a elimina componentele nedorite.

Structura lucrării

Primul capitol prezintă cateva generalitați ale câmpului magnetic și legi ale acestuia care ne vor ajuta in diverse calcule ale inducției câmpului magnetic. De asemenea sunt prezentate câteva dintre sistemele descoperite pâna acum care generează câmp magnetic uniform.

Capitolul 2

Capitolul 3 este dedicat proiectării și simulării sistemului și începe cu formularea cerințelor și prezentarea arhitecturii generale a sistemului. Se identifică componentele sistemului și se prezintă rolul acestora. De asemenea sunt prezentate scheme ale componentelor, de ce au fost alese respectivele componente si rezultate ale experimentului.

1. Generare câmp magnetic constant

1.1. Câmp magnetic. Generalități

Câmpul magnetic este o mărime fizică vectorială ce caracterizează spațiul din vecinătatea unui magnet,electromagnet sau al unei sarcini electrice in mișcare. Acesta este caracterizat in fiecare punct al lui prin forțe ce acționează asupra conductorilor parcurși de curent electric, magneților sau sarcinilor electrice în mișcare(forța Lorentz).

Existența curentului electric este urmată si de existența câmpului magnetic si invers. Intensitatea si direcția câmpului magnetic se pot reprezenta grafic cu ajutorul liniilor de câmp magnetic. Sensul liniilor de câmp se schimbă odată cu sensul curentului printr-un conductor. Pentru a determina sensul liniilor de câmp si sensul curentului folosim regula burghiului care spune ca „dacă se învârte burghiul, în așa fel încât să înainteze în direcția și sensul curentului, atunci sensul de rotație a burghiului va indica sensul liniilor de câmp magnetic”.

Câmpul magnetic într-un punct este definit de o marime directională numită inducția câmpului magnetic, B. Aceasta poate fi aflată prin forța mecanică cu care câmpul magnetic acționează asupra curentului electric sau prin tensiunea electromotoare indusă într-un conductor care trece prin câmpul magnetic.

Atunci când câmpul magnetic acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric,pe fiecare sarcină în mișcare acționează forța Lorentz. Astfel asupra conductorului în ansamblu acționează forța electromagnetică

m=I x (1.1)

unde I reprezintă intensitatea care străbate conductorul , l este lungimea conductorului aflat în câmp magnetic.

Dacă direcția inducției câmpului magnetic este perpendiculară pe direcția câmpului magnetic atunci forța devine:

F=B · I· l (1.2)

Astfel putem scrie inducția:

B=F / I·l (1.3)

De aici aflăm si unitatea de masură a inducției |B| = Wb / m2 (Tesla).

Pentru un conductor liniar,la trecerea curentului prin acesta,în jurul lui se generează un câmp magnetic care are liniile de câmp circulare si concentrice cu conductorul. Conform legii Biot-Savart, inducția câmpului magnetic în acest caz este:

B=µ0·H= µ0 · I / 2πr (1.4)

unde H reprezintă intensitatea câmpului magnetic , µ0 este permeabilitatea mediului vid sau aer.

În centrul unei spire, inducția devine:

B= µ0 · I / 2R (1.5)

Dacă avem un sistem de spire paralele cu lungimea lor mai mare decât diametrul,acestea formează un solenoid numit si bobină. Câmpul magnetic creat va fi:

B= µ0·N·I / l (1.6)

unde N este numarul de spire.

Dacă în interiorul spirei nu este aer,ci miez de substanță,atunci:

B= µ0·µr ·N·I / l (1.7)

unde µr reprezintă permeabilitatea magnetică relativă a mediului din interior.

O altă caracteristică importantă a câmpului magnetic este fluxul magnetic. Conform legii lui Gauss,pentru o suprafață S, fluxul magnetic reprezintă totalitatea liniilor de câmp magnetic ce străbat acea suprafață. Fluxul magnetic este dat de relația:

Φm=∫s B · ds · cosβ= ∫s · (1.8)

Unitatea de masură a acestuia este Weberul(Wb). Dacă inducția câmpului magnetic este perpendiculară pe suprafața ds, atunci:

B= dΦm / ds (1.9)

Deci inducția reprezintă densitatea de flux magnetic al câmpului magnetic. Datorită faptului că liniile de câmp magnetic sunt închise, fluxul care trece prin orice suprafață închisă este 0. De asemenea orice circuit strabatut de curent electric produce prin suprafata circuitului un flux magnetic proporțional cu intensitatea curentului electric:

Φm=L·I (1.10)

Conform legii circuitului magnetic,tensiunea magnetomotoare de-a lungul unei curbe inchise este egala cu curentul total:

∫τ ·=I (1.11)

Aplicând această lege pentru o bobină obținem:

H=N ·I / l (1.12) unde l reprezintă fiind lungimea cercului de rază dm/2 (dm este diametrul cercului)

Astfel putem calcula inductia campului magnetic în interiorul unei bobine și fluxul magnetic al bobinei:

B= µ0·N·I / l (1.13)

Φ = B⋅S = µ0·N·I·S / l (1.14)

1.2. Sisteme generatoare de câmp magnetic uniform

Multe experimente bioelectromagnetice au nevoie să genereze câmp magnetic uniform. Pentru a studia sistemele vii,oamenii de stiință și inginerii folosesc bobine electrice pentru a genera câmpuri electromagnetice de frecvențe mari si mici. De fapt, sistemele de bobine Helmholtz,Merrit si Ruben sunt cele mai folosite pentru a genera câmp magnetic uniform în diferite frecvențe.Sistemul Helmholtz este folosit in laboratoare pentru a genera câmp magnetic in volum mai mic, iar sistemele Merrit si Ruben sunt folosite pentru a genera câmp magnetic în volume mai mari. Cu aceste sisteme se poate genera câmp magnetic omogen în volume considerabile în vecinătatea centrului sistemului de bobine. Sistemul Helmholtz are bobine circulare, in timp ce sistemele Merrit și Ruben au bobine pătrate.

1.2.1. Sistemul Helmholtz

Acest sistem este format din 2 bobine circulare aflate simetric pe aceeași axă si sunt separate de o distanță d care este egală cu raza bobinei.Astfel amplasând bobinele la o distanță egală cu raza, se maximizează uniformitatea câmpului in centru. O eventual valoare mai mare a lui d, reduce diferența de câmp între centru si planurile bobinelor, iar uniformitatea in centru scade. Aceste bobine circulare sunt deseori folosite pentru a produce volume mici de câmp magnetic uniform.Bobinele au același numar de spire, iar raportul forțelor magnetomotoare este 1. De asemenea acestea sunt conectate in serie si construcția lor este ușoară.

1

r

1

Figura 1.1. Sistemul Helmholtz de bobine

Densitatea de flux magnetic B în centrul sistemului este:

B= 8,9917·10-7 ·N·I / r (1.15)

unde: r este raza bobinei, N este numărul de spire, I este curentul

1.2.2. Sistemul Merritt

Acest sistem poate fi format din 3 sau 4 bobine pătrate. Aceste tipuri de bobine pătrate sunt folosite pentru a produce volume mare câmp magnetic uniform. Construcția lor este dificilă, însă un sistem Merrit de bobine poate genera un volum mai mare de câmp magnetic uniform decât sistemul Helmholtz. Bobinele pătrate sunt conectate în serie.

Figura 1.2. Sistemul Merritt cu 3 bobine pătrate

Lungimea fiecărei bobine din sistem este egală cu d, iar distanța dintre bobine este d/2 . Distanța s este distanța dintre bobinele exterioare. Raportul dintre distanța intre bobinele exterioare s si lungimea bobinelor pătrate este:

s / d =0,821116 (1.16)

Raportul forțelor magnetomotoare dintre bobinele din interior si bobinele din exterior este:

N’I’ / NI =0,512797 (1.17)

Pentru acest sistem densitatea de flux magnetic in centru este:

B= 1,749·10-6·N·I / d (1.18)

Figura 1.3. Sistemul Merritt cu 4 bobine pătrate

Pentru un sistem Merritt cu 4 bobine patrate,raportul dintre distanța de la centru la perechea de bobine interioară a, si lungimea bobinei d este:

a / d =0,128106 (1.19)

Raportul dintre distanța de la centru la perechea de bobine exterioară b si lungimea bobinei d este :

b / d=0,505492 (1.20)

Raportul forțelor magnetomotoare dintre bobinele din interior si bobinele din exterior este:

N’I’ / NI =0,423514 (1.21)

Densitatea de flux magnetic B în centru pentru acest sistem este:

B= 1,795 ·10-6 ·N·I / d (1.22)

1.2.3. Sistemul Ruben

Un sistem Ruben este un sistem format din 5 bobine pătrate și este mai complex decât sistemul Merritt. Construirea acestui sistem este mult mai dificilă decât pentru sistemele Merritt si Helmholtz. Acesta utilizează bobine cu raportul forțelor magenetomotoare proporționale cu valorile intregi 19, 4, 10 , 4 și 19. Prin aceste valori ale raporturilor se obține câmp magnetic omogen în jurul centrului sistemului. Pentru acest sistem valoarea densitații de flux magnetic în centrul acestuia este:

B=1,878·10-6· N·I / d (1.23)

Figura 1.4. Sistemul Ruben de bobine

Simulând aceste sisteme și dorind să obținem o densitate de flux B=2µT in centrul fiecărui system s-au obținut următoarele valori.

Tabelul 1.1. Volumul obtinut de câmp magnetic si densitatea de flux in centru

Sistemul Merrit cu 4 bobine oferă cele mai bune rezulate din punct de vedere al valorii densitații de flux, in timp ce sistemul sistemul Ruben oferă un volum foarte larg de câmp magnetic uniform. Însa aceste 2 sisteme sunt foarte greu de construit, iar pentru laborator, varianta sistemului Helmholtz este cea mai accesibilă oferind volume mai mici de câmp magnetic.

1.3. Soluție propusă pentru generatorul de câmp constant

După cum se poate observa si din ecuatiile prezentate in subcapitolul precedent de sisteme generatoare de camp magnetic constant, inductia campului magnetic depinde de curentul aplicat la bobine. Deci pentru a obtine camp magnetic uniform si constant vom avea nevoie de un curent constant.

Pentru a obtine acest curent constant circuitul trebuie sa contina un oscilator cu cuart care va genera un semnal de o anumita frecventa cu o rezolutie inalta initial, insa datorita gamei de frecvente mari avem nevoie sa gasim solutii care sa asigure o rezolutie cat mai buna. Deci pentru genera un camp magnetic constant vom avea nevoie de un control al curentului si frecventei. In acest sens este propusa initial schema bloc de principiu.

Figura 1.5. Schema bloc a generatorului de câmp magnetic

BA- bloc de alimentare

GS- generator de semnal

FTJ- filtru trece-jos

I/U- convertor curent-tensiune

CC- circuit de comanda

2. Analiza solutiilor existente

2.1. Generatoare de semnal

Generatoarele de semnal sunt dispositive electronice care sunt folosite in laboratoare ca surse de tensiune variabile in timp, ce pot avea diferite forme de unda,iar frecventa si nivelul pot fi reglabile. Acestea contin circuite electronice care transforma energia in curent continuu de la alimentare in energie in curent alternativ la iesire intr-un singur punct, iar semnalul poate fi reglat intr-un anumit domeniu de frecvente.

Sunt numite generatoare de semnal doarece accentual nu este pus pe randamentul conversiei energiei electrice, ci pe calitatea formei de unda a semnalului in curent alternative.

Tipuri de generatoare de semnal:

Generatoare bazate pe oscilatoare

Generatoare prin sinteza analogica directa (DAS)

Generatoare prin sinteza digitala directa (DDS)

Generatoarele bazate pe oscilatoare au frevente in intervalul 5 Hz-500 KHz. Avantajul acestor generatoare este ca au puritatea spectrala foarte buna. Dezavantele lor insa sunt: stabilitatea foarte slaba a frecventei, gama redusa de frecvente si rezolutia de acord slaba.

Generatoarele DAS folosesc doar tranzistoare simple, iar frecventa finala se obtine prin divizarea, multiplicarea, adunarea si scaderea unor frecvente de referinta. Sunt alcatuite din multiplicatoare de frecventa si divizoare de frecventa, iar suma sau diferenta intre frecvente se obtine prin modulare si filtrare. Avantajele acestor tipuri de generatoare sunt: stabilitatea si puritatea spectral foarte buna, rezolutia in frecventa buna si folosesc acelasi principiu in alte aplicatii cu comunicatii. Insa acestea au complexitate foarte mare si reglajele sunt foarte greu de facut. In ultima vreme generatoarele DAS au fost inlocuite de generatoarele cu PLL si generatoarele DDS.

Generatoarele prin sinteza digitala directa ofera modalitatea cea mai moderna si performanta de a realiza pe cale numerica semnale cu diferite frecvente si forme de variatie. Cu aceste generatoare se pot obtine frecvente de cativa GHz. Au rezolutii foarte bune de sub 1 mHz. Sunt generatoare flexibile fiind foarte usor de modificat parametric ca banda si rezolutia. Banda de frecvente se poate modifica usor prin schimbarea frecventei de tact. Se pot implementa usor cu costuri mici utilizand circuite integrate ceea ce face ca sistemele sa aiba dimensiuni mai mici. Timpi de comutare sunt mici de sub 1 µs fara sa aiba fenomene tranzitorii, iar faza are continuitate. De asemenea puritatea spectrala este mare.

2.2.

3. Proiectarea și testarea sistemului

Tema de proiectare este reprezentată de dezvoltarea unui sistem de excitare a unor bobine Helmholtz ce permite reglarea amplitudinii curentului prin acestea cât și frecvența acestuia cu o rezoluție de 0.01Hz în gama 1Hz-100kHz.

Figura 3.1. Sistemul experimental al controlului câmpului magnetic având soluție digitală pentru generator de semnal sinusoidal

3.1. Condiții de laborator

Influența perioadelor de lumina ale zilei, compoziției spectrale de lumină, respectiv frecvenței și intensitatii câmpului magnetic asupra evoluției culturii in vitro este posibila cu ajutorul unui recipient feros echipat cu un sistem de iluminare programabil și un generator electromagnetic cu bobine Helmholtz. Practic, minilaboratorul poate fi definit ca un sistem mecatronic și a fost construit în consecință. Minilaboratorul va fi utilizat în camera de dezvoltare și experimente dezvoltate acolo vor fi întotdeauna referințe pentru ce va fi dezvoltat în minilaborator. Condițiile generale pentru structura și funcțiile minilaboratorului au fost impuse de tehnicile si metodele biotehnologiilor vegetale:

-perioada de lumina: 16 ore lumina si 8 ore intuneric;

-sursa de lumina: echivalentul luminei zilei;

-temperatura: minim 20°C, maxim 24°C;

-umidatate relativa: 65%;

-dimensiunea epruvetei: 20 mm diametru, 100 mm inaltime;

Cererile privind temperatura ambientă și umiditatea pot fi obtinute prin asigurarea ventilației corecte pentru a menține aceste condiții, la aceleași valori din experimentele de referință realizate în laborator (camera de creștere).

Condiția de lumină (perioada, culoarea, respectiv densitatea spectrală), se va realiza prin controlarea unei sursă de lumină dedicata.

În ideea de a asigura aceleași condiții pentru toate culturile in vitro situate în epruvete, va fi necesar sa asiguram o mișcare de rotație controlată a suportului de epruvete.

3.2. Bobinele Helmholtz

Bobinele Helmholtz reprezintă o configurație spațială deosebită a două bobine între care se poate obține un câmp magnetic aproape uniform.

Câmpul magnetic total este suma câmpurilor magnetice din fiecare bobina. Câmpul magnetic pentru două bobine puse in paralel pentru a asigura același sens al curentului este:

(3.1)

unde B este inductia câmpului magnetic, R este raza bobinei, d este distanța dintre centrele bobinelor, N este numărul de spire, I este curentul, µ0 = permeabilitatea magnetica in vid, x = punct pe centrul axei dintre bobine

Bobinele Helmholtz sunt caracterizate de faptul ca distanța dintre bobine este egală cu raza bobinelor (d=R). In centrul spațiului dintre bobinele Helmholtz x=0, si pentru acest punct inducția câmpului magnetic devine:

(3.2)

Figura 3.2. Structura si distribuția câmpului magnetic pentru 2 bobine paralele având același sens al curentului

Bazat pe conceptul de minilabor dezvoltat, a fost propusă o structură cu capacitatea de a folosi orice caz metalic cu cel putțin 40 mm mai mare decât diametrul bobinelor Helmholtz.

Figura 3.3. Structura de minilaborator propusa

Geometria și simularea modelului a fost realizată cu softul ANSYS Maxwell. Diametrul bobinelor este de 200 mm și distanța dintre ele este egală cu raza bobinei, R = 100 mm. Geometria rezultată este prezentată în figura 3.4.

Figura 3.4. Geometria bobinelor Helmholtz utilizata in simularea inductiei campului si a vectorului inductiei

Plasa adaptiva care a rezultat din simulare este prezentată în figura 3.5. și figura 3.6. prezintă distribuția inducției și orientarea vectoriala.

Figura 3.5. Plasa de valori a bobinelor Helmholtz

Figura 3.6. Rezultatele inductiei câmpului si orientării vectoriale

Pentru a modela corect inductanța bobinei, o cale de întoarcere corespunzatoare a curentului este inclusă în simulare. Calculul corect al bobinei depinde critic de calculul precis al pierderilor dielectrice și de conductie. Software-ul Maxwell permite calcularea explicită a distribuției de curent în interiorul unui conductor care permite un calcul precis al pierderilor volumetrice ale conductorului.

Simularea a fost axată pe evaluarea câmpului B pentru bobinele Helmholtz la frecvența de 10 Hz. Astfel geometria structurii de minilaborator propusa a fost simplificată în două bobine identice conectate electric. Diametrul bobinei este de 200 mm și distanța de la o bobina la alta este de 100 mm, așa cum a fost prezentata în figura 3.4. Materialul ales pentru bobine a fost cuprul. Ansamblul a fost inconjurat de o regiune de fier la o distanță de 400 mm pe fiecare parte. Pentru excitare a fost considerat numărul de spire și curentul productoriului: N=1, I=1 A. Pentru aceste valori, rezulatele arata valori ale campului magnetic in jurul a 3 µT.

Pe baza rezultatului simulării, soluția experimentală pentru generatorul de câmp magnetic a fost realizată prin menținerea geometriei bobinelor Helmholtz cu numarul de spire N = 700 (limitată de construcția suport a bobinelor). Referitor la investigațiile câmpului magnetic, măsurătorile au fost efectuate în două etape, mai întâi s-a investigat inductia câmpului magnetic in functie de raza pe trei nivele pentru un curent continuu I = 1A (tabelul I).

Tabelul 3.1. Inducția câmpului magnetic pentru curent continuu I= 1 A

De asemenea in a doua etapă a fost masurata inductia câmpului magnetic, tot in funcția de rază pe trei nivele,dar pentru un curent alternativ I = 195 mA, si frecventa 10 Hz.

Tabelul 3.2. Inductia campului magnetic in functie de raza pentru curent alternativ I = 195 mA si frecventa 10 Hz

Figura 3.7. Modelul de laborator al bobinelor Helmholtz

3.2. Generatorul de semnal

Generatorul de semnal pentru această aplicație a fost ales de tip DDS (Direct Digital Synthesis). Alegerea s-a făcut pe baza cerințelor foarte stricte legate de frecvența oscilației obținute și anume obținerea unei rezoluții de 0.01Hz într-o gamă de 5 decade de frecvență (1Hz-100kHz). Circuitul DDS ales este AD9851, un circuit integrat care permite o frecvență de tact de referință între 1MHz și 125MHz. Frecvența semnalului de ieșire este reglată folosind un cuvânt de comandă de lungime egală cu 32 de biți ceea ce permite obținerea unei rezoluții foarte bune din punctul de vedere al frecvențelor semnalelor ce pot fi sintetizate.

Marele avantaj al acestui tip de sintetizor de semnal este acela că permite controlul digital al frecvenței semnalului de ieșire eliminând dezavantajele oscilatoarelor clasice în care frecvența semnalului de ieșire este reglată folosind componente pasive. Mai mult, pentru a permite reglarea frecvenței semnalului de ieșire fără a înlocui anumite componente, valorile componentelor pasive implicate în formula frecvenței semnalului de ieșire trebuie să fie variabile.

O componentă pasivă cu valoare reglabilă a mărimii caracteristice (rezistență, capacitate) este puternic influențată de condițiile de mediu în care funcționează respectivul sistem. La cele mai mici vibrații, șocuri mecanice, variații de temperatură sau umiditate frecvența semnalului de ieșire va varia de la valoarea dorită. Mai mult, în cazul de față se dorește ca diferența între două valori consecutive ale frecvenței semnalului sintetizat să fie maxim 0.01Hz.

Reglarea frecvenței cu o așa precizie este aproape imposibilă dacă se folosește un singur element variabil de reglaj. Necesitatea mai multor componente pasive cu valori reglabile, pentru a permite reglaj brut, fin, foarte fin, este un mare dezavantaj al unei astfel de soluții în condițiile descrise mai sus.

Este adevărat faptul că, teoretic, în cazul unui oscilator controlat cu elemente pasive (oscilator cu punte Wien, de exemplu) frecvența semnalului de ieșire variază continuu, nu discret ca în cazul sintezei DDS, deci rezolvarea problemei rezoluției ar fi rezolvată pe deplin, însă așa cum s-a arătat, este foarte dificilă fixarea unei anumite valori cu un singur element de reglaj. Chiar dacă se reușește fixarea unei frecvențe dorite cu foarte bună precizie, durata în care aceasta va rămâne la valoarea la care a fost reglată este destul de scurtă din motive prezentate mai sus.

Stabilitatea frecvenței semnalului de ieșire în cazul în care se folosește un sintetizor de tip DDS este dată, la o analiză de ordinul I, de stabilitatea frecvenței semnalului de tact de referință. Toleranța frecvenței generate în cazul oscilatoarelor de referință (sau a frecvenței de rezonanță în cazul în care se folosesc rezonatoare) are deseori valori mai mici sau egale cu 30ppm.

Reglarea frecvenței semnalului generat este realizată cu ajutorul unui cuvânt de control de lungime 32 de biți care poate fi transmis circuitului AD9851 în două feluri: folosind o comunicație de tip paralel sau una de tip serial.

În cazul în care se folosește comunicația de tip paralel se vor trimite secvențial 5 blocuri de câte 8 biți, 4 conținând cuvântul de control al frecvenței, iar unul pentru controlul funcțiilor auxiliare ale circuitului care vor fi detaliate în altă secțiune a lucrării. Așadar este vorba de fapt de o comunicație de tip serial-paralel la o analiză riguroasă.

Din foaia de catalog a circuitului a fost extrasă secvența de scriere a octeților de comandă:

Figura 3.8. Frecvența de încărcare paralelă/ Actualizarea timingului

Cealaltă variantă pentru scrierea celor 40 de biți este folosind o comunicație de tip serial, fiecare bit fiind scris pe rând în memoria circuitului. Sistemul prezentat în această lucrare folosește comunicația de tip paralel. Pentru aceasta se folosesc 9 căi de semnal, 8 dintre ele vor purta cei 8 biți care vor fi scriși în memorie, iar cea de-a noua va hotărî momentul în care se va face scrierea în memorie. Se poate observa că a noua cale de semnal este, de fapt, un semnal de tact pentru scrierea în memorie a celor 40 de biți. Odată scriși în memorie cei 40 de biți se marchează sfârșitul comunicație printr-un front crescător pe o a zecea cale de semnal ceea ce determină și încărcarea în memoria de control a cuvântului primit și modificarea frecvenței semnalului de ieșire în consecință.

Relația care determină frecvența semnalului de ieșire este, conform foii de catalog a producătorului:

(3.3)

unde CC este cuvântul de control reprezentat pe 32 de biți, iar FR este frecvența semnalului de referință.

Se poate observa imediat cum o anumită rezoluție în frecvență se poate obține prin alegerea convenabilă a valorii frecvenței semnalului de tact de referință. Cuvântul de control este un număr întreg. Pentru determinarea valorii frecvenței de referință necesare pentru a obține o anumită rezoluție se poate folosi formula următoare, impunând ca pentru două cuvinte de control reprezentând numere consecutive să se obțină frecvențe distanțate la rezoluția impusă, în cazul de față 0.01Hz. Cu alte cuvinte raportul dintre FR și 232 să fie egal cu rezoluția. Rezultă astfel o valoare pentru frecvența de referință egală cu 42.94967296 MHz care nu este o valoare ce poate fi obținută dintr-un oscilator standard sau cu ajutorul unui rezonator.

Așadar nu se va putea obține cu ușurință o rezoluție egală cu cea dorită. Se poate impune însă o eroare maximă permisă în sinteza frecvențelor. S-a ales pentru această aplicație o eroare absolută maximă egală cu 0.001Hz.

Pentru gama 1Hz-200Hz s-a efectuat o simulare folosind programul MATLAB pentru a determina care ar fi eroarea maximă de sinteză dacă s-ar folosi un oscilator standard. Pentru frecvență de tact standard din cele testate s-au calculat cuvintele de control necesare pentru a sintetiza frecvențe cât mai în gama de test, cu rezoluția 0.01Hz. Bineînțeles valorile obținute sunt numere reale.

S-au trunchiat/rotunjit aceste numere la cel mai apropiat număr întreg apoi s-au folosit aceste cuvinte de cod obținute în acest fel pentru calcularea frecvenței sintetizate pentru fiecare. Rezultatele s-au comparat cu valorile dorite determinând eroarea absolută maximă din această gamă. Rezultatele sunt prezentate în figura următoare.

Figura 3.9. Eroarea de sinteză în intervalul de frecvențe 0-200 Hz

Se poate observa că eroarea este mai mică decât limita impusă în toate cazurile testate, însă scade cu cât frecvența de referință este mai mică. Circuitul integrat AD9851 nu funcționează dacă frecvența de referință este mai mică decât 1MHz, deci se va alege această valoare deoarece asigură cea mai mică eroare absolută maximă.

Folosind această frecvență de referință s-a calculat folosind MATLAB eroarea de sinteză pentru fiecare valoare a frecvenței din intervalul 1 – 200 Hz cu un pas de 0.01 Hz. Rezultatele sunt prezenate în figura de mai jos. Se poate observa că eroarea relativă scade pentru frecvențe sintetizate mai mari.

Figura 3.10. Soluție DDS de generare a undei sinusoidale cu o rezoluție înaltă a frecvenței.

Figura 3.11. Modelul de laborator al circuitului AD9851

3.4. Filtrul trece jos

La ieșirea circuitului de sinteză digitală directă AD9851 se vor regăsi eșantioane ale semnalului care se dorește a fi sintetizat. În consecință nu se va obține exact semnalul analogic dorit, ci un semnal în timp discret.

Așadar spectrul semnalului de ieșire nu va fi format dintr-o singură componentă spectrală plasată la frecvența cu care se dorește să se sintetizeze semnalul sinusoidal ci vor exista și alte componente spectrale plasate în jurul frecvenței de eșantionare care în acest caz este egală cu frecvența de tact de referință.

Aceste componente pot fi văzute ca distorsiuni pentru semnalul dorit, distorsiuni care trebuie să fie eliminate. Componenta spectrală cea mai apropiată de componenta care reprezintă semnalul sinusoidal dorit este aflată la frecvența Fs-Fsin unde Fseste frecvența de eșantionare (1 MHz) și Fsin este frecvența semnalului sintetizat.

Cazul cel mai defavorabil este întâlnit când se sintetizează o frecvență mare deoarece componenta nedorită va fi apropiată de cea dorită. În cazul de față semnalul cu cea mai înaltă frecvență ce va fi sintetizat va fi un semnal sinusoidal cu frecvența de 100 kHz, deci componenta spectrală nedorită cea mai apropiată se va afla la 1 MHz – 100 kHz = 900 kHz. Celelalte componente nedorite se află la frecvențe mai ridicate decât aceasta. În concluzie se poate folosi un filtru trece-jos pentru a elimina toate aceste componente nedorite.

Pentru filtru s-a folosit o configurație cu reacție multiplă, schema este prezentată în figura de mai jos:

Figura 3.12. Configurație filtrului trece jos

Caracteristica de transfer a filtrului prezentat mai sus este ilustrată în figura de mai jos. Se poate observa că frecvența de tăiere este foarte apropiată de 300 kHz. Nu s-a obținut o valoare exactă pentru frecvența de tăiere deoarece nu există valori standardizate pentru componentele pasive folosite care să permită fixarea acesteia la 300 kHz, însă nu este absolut necesar să se obțină acest lucru.

Un alt aspect foarte important ce poate fi observat este faptul că filtrul are câștig unitar în toată banda vizată, chiar și la cea mai înaltă frecvență de interes, adică la 100 kHz. La frecvența cea mai coborâtă la care poate să apară din motivele prezentate mai sus o altă componentă spectrală nedorită (900 kHz) atenuarea filtrului este de 30 dB. Dacă se dorește o atenuare mai mare se pot cascada două etaje de filtrare identice cu cel prezentat mai sus, obținându-se în acest caz o atenuare de 60 dB la aceeași frecvență, adică o atenuare de 1000 de ori a componentei nedorite

Figura 3.13. Caracteristica de transfer a filtrului

Producătorul circuitului integrat AD9851 recomandă ca frecvența de tăiere a filtrului trece-jos folosit să fie maxim egală cu 40% din frecvența de referință. În cazul de față condiția este respectată, frecvența de tăiere reprezentând 30% din frecvența de referință egală cu 1 MHz.

3.5. Convertorul de curent-tensiune

Circuitul DDS AD9851 are ca mărime de ieșire curent și nu tensiune. Acesta prezintă doi pini de ieșire: și , suma celor doi curenți fiind constantă. Generatorul de semnal ce se dorește a fi proiectat are ca mărime de ieșire tensiune electrică. Așadar între ieșirea circuitului DDS și ieșirea generatorului de semnal trebuie să existe un convertor curent-tensiune.

Un astfel de circuit poate fi imaginat în mai multe moduri, în cazul de față fiind reprezentat de un rezistor. Valoarea rezistenței va determina valoarea de vârf a tensiunii de la ieșirea convertorului curent-tensiune deoarece valoarea maximă a curentului este fixată, reglată cu ajutorul unui alt rezistor conectat la un pin al circuitului DDS, pin numit RSET.

Pentru un curent maxim de ieșire de 10mA producătorul circuitului DDS recomandă folosirea unui rezistor cu rezistența egală cu 3.92 kΩ. Pentru a obține o amplitudine maximă de A=1V se va folosi drept convertor curent-tensiune un rezistor cu rezistența egală cu 100Ω. Producătorul recomandă folosirea unui rezistor identic si pe a doua ieșire pentru a echilibra etajul de ieșire.

Se poate observa că în acest caz semnalul de la ieșirea convertorului va avea componentă continuă. Există mai multe modalități de a o elimina. Una dintre ele este folosirea unui filtru trece sus, însă cea mai joasă frecvență ce se dorește a fi generată cu generatorul proiectat este 1 Hz determinând o dificultate în realizarea filtrului.

Se poate imagina o soluție mai elegantă dacă se va exploata faptul că AD9851 are două ieșiri care dau semnale în antifază unul față de celălalt (suma celor doi curenți de ieșire este constantă), dar ambele având aceeași componentă continuă.

(3.4)

(3.5)

(3.6)

Așadar se poate folosi un amplificator diferențial pentru a efectua scăderea celor două semnale eliminând componenta continuă și dublând amplitudinea semnalului obținut. Schema unui astfel de circuit este prezentată mai jos împreună cu semnalele de la intrare și cel de la ieșire.

Figura 3.14. Convertorul de curent-tensiune

Figura 3.15. Semnalul de intrare și semnalul de ieșire a convertorului

3.6. Microcontrolerul

Pentru acest proiect este necesar un microcontroler care sa fie programat astfel încât să controleze toate celelalte circuite, să permită utilizatorului să modifice parametrii semnalului de ieșire folosind butoane și să comande sistemul de afișare reprezentat de un afișor cu cristale lichide (LCD – Liquid Crystal Display).

Ținând cont de faptul că sintetizorul DDS este comandat folosind o comunicație de tip paralel, de faptul că și dispozitivul de afișare se comandă cu un număr semnificativ de semnale și de blocul de introducere a parametrilor (4 butoane), un microcontroler cu un număr suficient de pini est necesar.

Pentru acest proiect s-a ales microcontrolerul PIC18F4580 care dispune de 36 de pini de uz general din care s-au folosit 28. În același timp acesta poate funcționa cu o frecvența de tact de până la 40 MHz, dispune de o memorie Flash de 32 kB și poate fi programat folosind un mediu de dezvoltare ușor de folosit (MPLAB), oferind un raport calitate-preț foarte bun.

3.7. Blocul de alimentare

3.8. Afișajul LCD

Dispozitivul de afișare este reprezentat de un afișaj este reprezentat de un afișor cu cristale lichide cu o structură matriceală a ecranului alcătuită din 16 coloane și două linii. Fiecare element al acestei matrici poate afișa un caracter alfanumeric.

Afișorul este dotat cu un controler Hitachi HD44780 care facilitează operarea cu acesta. Microcontrolerul principal va comunica cu acest controler care, la rândul său, va comanda celulele cu cristale lichide. Acest tip de dispozitiv de afișare pot afișa numai text monocrom, permite ajustarea contrastului folosind un potențiometru extern.

S-a ales acest afișor deoarece poate cuprinde toate informațiile ce se doresc a fi afișate (frecvența semnalului sintetizat, cursorul pentru modificat frecvența, diverse mesaje), este ieftin și ușor de comandat folosind un microcontroler. Comanda acestuia va ocupa minim 7 pini (4 de date, unul pentru indicarea tipului de operație care poate fi scriere sau citire de date, un pin pentru un semnal de tact și încă unul pentru selectarea tipului de registru, care poate fi de comandă sau de date, asupra căruia se va efectua operația curentă). Afișorul dispune și de iluminare. Aceasta se face cu ajutorul unui led integrat în modul care poate avea diverse culori în funcție de model.