Генератор полигармонических сигналов сложной формы

 

 

 

Описание:

Генератор состоит из следующих функциональных блоков:

• модуля основного (в него входит устройство ввода-вывода, блока синтеза сигнала, модуль памяти, блок синхронизации);
• генератора управляемого напряжением;
• блока питания.

В генераторе применена  схема цифрового синтеза сигналов. Управление работой генератора производится с помощью персональной ЭВМ (ПЭВМ) типа IBM PC под управлением оригинального программного обеспечения в операционной системе Microsoft Windows 95/98 через параллельный порт.

Все функциональные блоки  работают от одного блока питания, вырабатывающего  необходимые напряжения.

Конструктивно генератор  выполнен в виде настольного переносного прибора в малогабаритном металлическом корпусе. Монтаж выполнен на трех печатных платах.

Основные технические характеристики:

1. Диапазон частот  генерируемых сигналов:

• синусоидальной формы от 0,01 Гц до 100МГц;
• прямоугольной формы от 0,01 Гц до 10 МГц;
• треугольной формы от 0,01 Гц до 100 кГц.

2. Пределы допускаемой основной относительной погрешности установки частоты, не более ±5∙10^-3%.

3. Относительная нестабильность  частоты синусоидального сигнала  при уменьшении уровня выходного сигнала на 10 дБ, %, не более ± 1,5∙10^-4.

4. Масса генератора, не  более 5кг.

5. Габаритные размеры  генератора, 270х110х360мм.

6. Потребляемая мощность, не более 30 В∙А.

7. Средняя наработка  на отказ, не менее 8000 ч.

8. Частота питающей сети, 50±1Гц.

Недостатками устройства являются пониженная точность воспроизведения  сигналов сложной формы и сложность  перенастройки, обусловленная необходимостью перепрограммирования постоянного  запоминающего устройства.

 

Генераторы акустического сигнала.

Звуковой генератор представляет собой устройство, которое вырабатывает свои собственные, совершенно неповторимые звуки, которые практически невозможно воспроизвести каким-либо другим способом.

Генератором звука является или колеблющаяся струна, брусок камертона, какое-либо твердое тело, мембрана, столб воздуха. Несмотря на то, что в мире существует множество музыкальных инструментов, все они могут быть классифицированы на ограниченное число групп по физическому принципу образования звука.

Наибольший интерес для информационно-измерительных систем представляют электромузыкальные инструменты. Предшественниками электромузыкальных инструментов можно считать механические инструменты, история которых насчитывает не одно столетие.

Очевидно, самые первые опыты применения электричества были реализованы еще в XVIII веке: в 1761 году француз Ж. Б. Ла Борд получил патент на электрический клавесин. В 1837 году К. Д. Пейдж из Массачусетса создал «электронный камертон».

Важным событием было изобретение фонографа Т. Эдисоном и Э. Берлинером в 1877-1894 годах, так как это показало принципиальную возможность сохранения и воспроизведения музыкальных звуков и послужило базой для развития звукозаписи.

Впервые некий прообраз генератора звука заданной тональности  был построен Гельмгольцом. Он исследовал физические процессы, лежащие в основе восприятия звука человеком, для чего использовались камертоны, генерирующие звуки строго определенной частоты. Но звук камертона со временем гаснет, и поэтому ученый применил к камертону простое электрическое устройство.

Если по бруску камертона  нанести удар молоточком или палочкой, то брусок отклонится в сторону, затем  под действием силы упругости  отклонение будет уже в другую сторону. Процесс будет повторяться, но амплитуда каждого цикла станет убывать. Такая картина отмечается для свободных колебаний камертона. Но в камертоне Гельмгольца уже при первом же отклонении замыкает контакт и приводит в действие электромагнит, помещенный с другой стороны, и обратному движению бруска камертона помогает магнитное поле. Инерции процесса достаточно для того, чтобы амплитуда колебаний не менялась. А при последующем цикле контакт вновь замыкается, и картина повторяется до тех пор, пока осуществляется питание магнита.

Гельмгольца интересовал  только непрерывно звучащий камертон, но вскоре его идея уже была положена в основу первого электромузыкального инструмента. Воплощение идеи произошло в 1852 году, но только через двадцать лет из этого замысла получилось нечто более или менее путное.

Основой генератора данного  звука была фортепьянная струна, которая возбуждалась ударом молоточка. Затем длительность звучания поддерживалась механизмом Гельмгольца, который работал до тех пор, пока нажата клавиша.

Встреченное вначале с восторгом публикой электропианино вскоре ушло в небытие, так как струны дребезжали при соприкосновении с контактом, вызывая посторонние звуки.

Одной из самых первых попыток использования электрического тока для создания музыкальных звуков была «поющая дуга», изобретенная в 1899 году английским физиком У. Дудделом. Устройство этого своеобразного «инструмента» показано на рисунке 9.

 

Рисунок 9 – Электрическая схема инструмента «поющая дуга»

 

Как видно из этой рисунка, прибор включал электрическую батарею (1), ток которой через контакты клавиатуры (2) заряжал конденсатор (3). В определенный момент времени напряжение на конденсаторе под действием заряда становилось достаточно высоким для того, чтобы образовать пробой (искру) в разряднике (5), подключенном параллельно конденсатору. Это приводило к резкому импульсу разрядного тока в первичной обмотке (4) трансформатора с малым числом витков. С первичной обмоткой была связана вторичная обмотка (6), имеющая очень большое число витков из тонкого провода в хорошей изоляции. При протекании в первичной обмотке трансформатора разрядного импульса во вторичной обмотке возникало высокое напряжение, которое вызывало коронный разряд («дугу») на острие электрода (7), соединенного с верхним концом вторичной обмотки. Этот разряд создавал ясно слышимый щелчок, т. е. одиночный звуковой импульс. Если повторять этот импульс с определенной частотой (которая изменяется с помощью контактов клавиатуры), то можно получить тональный звук определенной высоты. В таком инструменте было еще много недостатков: высота звука была неустойчива, громкость не поддавалась управлению, тембр был слишком резким и т. д., но это был уже электромузыкальный инструмент.

Но и этот инструмент - "поющая дуга" - не получил развития, так как не поддавались регулированию  тембр, громкость звука, настройка  была сложной и неустойчивой.

Но вот в начале ХХ века американец Кахилл создал в Чикаго свой первый электромузыкальный инструмент, где каждому звуку соответствовал свой генератор тока - вращался свой ротор, угловая скорость которого подбиралась такой, чтобы в телефоне звучала именно нужная нота. А так как в инструменте предусматривалось несколько десятков звуков разной частоты, то и число генераторов должно быть таким же большим. Поэтому неудивительно, что элетрорган - "телармониум" - Кахилла весил двести тонн. Машина располагалась на специальном фундаменте, при работе стоял невероятный шум, поэтому музыкант с клавиатурой вынужден был находиться в другом помещении, чтобы не оглохнуть. Свою игру он слышал через телефонные наушники. Абоненты подключались в телефонную сеть, и назвав нужный номер, подключались к аппарату и наслаждались музыкой.

Возможности этого инструмента  были бедны, тембр скучным; особенно мешали качеству воспринимаемой музыки помехи. Но, учитывая, что ни радио, ни телевидения еще не существовало, то телармониум Кахилла воспринимался как чудо. Кроме того, принцип, предложенный Кахиллом, до сих пор используется в некоторых системах электроорганов.

Прямым потомком телармониума был орган Хаммонда, который, как и телармониум, появился ам же в Чикаго спустя три десятка лет.

В распоряжении Хаммонда уже были ламповые усилители, что  позволяло усиливать генерируемые слабые колебания, и динамики. Но генераторами звука все же были механические системы - шестеренки, которые вращались с заданной скоростью рядом с сердечником с катушкой. Прохождение каждого зубца возбуждало в катушке ток. Можно было варьировать число зубцов, а также скорость вращения шестеренок [8].

Идея оказалась достаточно плодотворной, так как длительное время, вплоть до наших дней, используются ее варианты.

Первый поистине электромузыкальный инструмент появился в 1921 году. В нем не было механических генераторов вроде струн, камертонов или вращающихся роторов. Звуки в нем рождала электроника. Изобретателем инструмента был инженер Лев Сергеевич Термен. "Терменвокс" - "Голос Термена", так назвали инструмент, генерировал звуки электромагнитных колебаний, обладал гибким поющим голосом, вибрирующим, как голос человека. Кроме того, у инструмента были малые габариты даже в то время, когда еще не существовало пальчиковых ламп, не то, что транзисторов.

Исполнитель не прикасался к инструменту - музыкант выделывал пассы рукой вокруг торчащего металлического стержня.

Идея использовать метод  наложение высокочастотных колебаний, создаваемых гетеродинами (высокочастотными генераторами), и последующего выделения разностного тона в звуковом диапазоне была применена в серии инструментов «Аудио Пианино», созданных Л. Терменом. А также использована в последующем развитии инструментов в России, работающих, по этому и подобным принципам: неовиолены, экводина В.А.Гурова, эмиритона А.А.Иванова, А.В. Римского-Корсакова и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В результате написания реферата на тему «Разработка и исследование генераторов полигармонических сигналов сложной формы» был проведен обзор по способам воспроизведение, измерения и синтеза полигармонических сигналов.

Рассмотрены способы математического описания полигармонических сигналов, которые представлены суммой гармонических колебаний.

Для воспроизведения различных сигналов, необходимы устройства, называемые генераторами, поэтому был рассмотрен генератор сложной формы «Г6-45», который предназначен для генерирования электрических сигналов различной формы, а также сигналов с различными модуляциями, функциональных и телевизионных сигналов. В данном генераторе применена схема цифрового синтеза сигналов. Обозначилась возможность применения «Г6-45» в исследованиях, настройке и испытание систем и приборов, используемых в радиоэлектронике, автоматике, акустике, вычислительной технике и т.д.

Также были рассмотрены акустические сигналы. Приведены параметры звукового сигнала, описаны основные понятия звука. Рассмотрены способы воспроизведение звуков, на примере музыкальных инструментов, голоса, различных источников шума (например, транспорт и др.), которые создают вокруг себя в окружающей среде звуковые поля сложной структуры.

Рассмотрены способы  измерения звукового сигнала  с помощью записывающих устройств, а также вывод уровнеграмм  на экран осциллографа.

Проведен краткий  обзор генераторов акустического сигнала, и их развитие от начала до наших времен.

Можно отметить, что генераторы прошли огромный путь и в настоящее время предстают  перед нами практически в совершенном  виде, и в большом разнообразии, что позволяет выбрать то или  иное устройство в зависимости от нужд.

Список  использованных источников

 

1. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. – М.: Мир, 1988. – 488 с.

2. Дмитриев В.И. Прикладная теория информации: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1989.

3. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов. - М.: Советское радио, 1979.

4. Купер Дж., Макгиллем А. Вероятностные методы анализа сигналов и систем. – М.: Мир, 1989.

5. Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов. – М.: Связь, 1979. – 416 с.

6. Устройства обработки звукового сигнала [Электронный ресурс]

// URL http://guardmag.com/thesaurus/show/id/134 (Дата обращения: 06.07.13).

7. Акустические  сигналы. Динамический диапазон. Частотный диапазон. [Электронный ресурс] // http://www.paintpit.ru/akusticheskie-signaly-dinamicheskii-diapazon-chastotnyi-diapazon.html (Дата обращения: 07.07.2013).