Лабораторный генератор сигналов на dds

ЛАБОРАТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ НА DDS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение

1. Выбор темы

2. Выбор элементной базы

3. Расчетная часть

4. Разработка печатной платы

5. Программирование

 Заключение

 Список литературы

 Приложение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Генератор синусоидального  напряжения — один из наиболее необходимых  в любой лаборатории приборов. Именно на этом базируется актуальность исследования в работе.

Однако генераторы промышленного  производства имеют большие габариты, вес и довольно дороги. Самодельные аналоговые генераторы сложны по конструкции и не обеспечивают высокой точности установки и стабильности частоты выходного сигнала. Автор Н.Хлюпин в своей статье, размещенной в "Радио" №8 за 2009 год, предлагает разработанную им конструкцию генератора на основе микросхемы прямого цифрового синтеза (DDS — Direct Digital Synthesizer), лишенного этих недостатков. Этим определяется практическая значимость работы.

Теоретическая значимость исследования основана на возможности использования данной работы в научной деятельности, на лекционных и семинарских занятиях в учебной деятельности.

Целью работы является изучение  лабораторного генератора сигналов на  DDS.

Данная цель конкретизируется решением взаимосвязанных задач:

1. охарактеризовать выбор темы и элементной базы.

2. сделать расчетную  работу.

3. разработать печатную  плату и спрограммировать.

Исследование состоит  из следующих структурных элементов: введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор темы

 

В устройствах самого различного назначения часто бывает необходима схема, генерирующая сигналы  различных частот и позволяющая  с высокой точностью управлять  параметрами этого сигнала. В  качестве примера можно назвать  источники сигнала с быстрой  перестройкой частоты с низким уровнем фазового шума и малыми гармониками, предназначенные для коммуникационных систем, или генераторы сигналов для промышленных и биомедицинских устройств. Основные требования к таким устройствам — возможность генерировать сигнал и управлять его параметрами, а также доступность по цене.

Для реализации такого генератора применяются различные подходы, но наиболее гибким является прямой цифровой синтез (DDS). Микросхема — синтезатор DDS — генерирует аналоговый сигнал (обычно это синусоида, но треугольный или прямоугольный сигналы также характерны) за счет генерации последовательности отсчетов в цифровой форме и последующего преобразования этих отсчетов в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Так как DDS — это, в сущности, цифровой прибор, он обеспечивает быстрое переключение значения частоты выходного сигнала, высочайшее разрешение по частоте и способен работать в широком диапазоне частот.

Благодаря развитию схемотехники и технологии современные синтезаторы DDS представляют собой очень компактные и малопотребляющие микросхемы. Доступные сегодня DDS могут генерировать сигнал с частотой от менее 1 Гц до 400 МГц (при частоте тактового сигнала 1 ГГц), разрешение по частоте соответствует разрядности до 48 бит. Низкая цена микросхем, созданных по современной технологии, высокие показатели качества, возможность цифрового управления — все это вместе делает генератор DDS чрезвычайно привлекательным решением по сравнению с традиционными подходами, менее гибкими и требующими применения большего количества дискретных элементов. Многоканальные синтезаторы DDS, такие как двухканальный AD9958 и четырехканальный AD9959, допускают независимое программирование до четырех синхронизированных каналов. Это очень полезное свойство для систем с высокой плотностью компонентов и ограниченным объемом (например, радары/сонары на фазированных антенных решетках, автоматическое тестовое оборудование, медицинские средства визуализации, оптические коммуникационные сети).

В настоящее время DDS применяется  в двух основных областях: для генерации сигнала в коммуникационных системах и для анализа сигналов в промышленных и биомедицинских системах.

Стоит отметить также  такие области применения, как  электронные системы борьбы с  кражами (electronic article surveillance, EAS) и гидроакустические буи.

В коммуникационных системах от генератора часто требуется быстрая  перестройка частоты, низкий уровень  фазового шума и гармоник, в сочетании  с высоким разрешением по частоте  и хорошим спектром сигнала. В  системах телекоммуникаций синтезаторы DDS генерируют пилотный сигнал для идентификации WDM (мультиплексирование с разделением по длине волны) в оптических каналах, они применяются и в опорных генераторах с ФАПЧ с расширенными возможностями настройки, в качестве гетеродинов, а также в качестве генераторов для прямой передачи сигнала.

В тех областях применения, где требуется анализ сигналов, —  во многих промышленных и биомедицинских приборах — DDS применяется для генерации  сигналов с программируемой формой и возможностью удобного управления частотой и фазой и без переключения внешних компонентов, что было присуще традиционным генераторам сигналов. Удобное управление частотой сигнала может быть использовано для поиска резонансов или для компенсации температурного дрейфа. Синтезатор DDS может быть использован в качестве перестраиваемого генератора сигнала возбуждения в схеме измерения импеданса датчика или для генерации сигнала с широтно-импульсной модуляцией для микроактюаторов (микроактюатор — компонент микромеханических систем, преобразующий электрическую энергию в управляемое движение), для измерения коэффициента ослабления сигнала в сетях LAN или в телефонных линиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор элементной  базы

 

С появлением микросхем  прямого синтеза появилась возможность  изготовить лабораторный генератор сигналов синусоидальной формы, имеющий довольно высокие параметры при относительно простой схеме и конструкции. Номинальный диапазон частот этого генератора — 0,1 Гц...6 МГц с возможностью увеличения верхнего предела до 11 МГц. Максимальная амплитуда сигнала — 7 В на нагрузке сопротивлением 50 Ом.

Схема генератора показана на рис. 1. Его основа — микросхема AD9832BRU (DD2). Выбор обусловлен тем, что  это одна из самых дешевых микросхем DDS. Синусоидальный сигнал формируется  на выводе 14 микросхемы (DD2). Пассивный ФНЧ L1L2C8C9C10 с частотой среза 10 МГц очищает его спектр. Поскольку микросхема DD2 работает с однополярным питанием, необходимо сдвинуть к нулю среднее значение генерируемого ею сигнала. Это делает широкополосный дифференциальный усилитель AD8130AR (DA2). Напряжение сдвига уровня подается с резистивного делителя R4R15 на вывод 8 DA2, а входной сигнал — на его вывод 1. На том же усилителе реализован активный ФНЧ второго порядка с частотой среза 10 МГц и коэффициентом передачи 2.

С выхода DA2 симметричный относительно нулевого уровня сигнал поступает на регулятор амплитуды R14. Применение здесь обычного переменного  резистора, а не электронного аттенюатора, обусловлено стремлением упростить  и удешевить конструкцию. Да и  в практической работе гораздо удобнее вращать ручку, а не многократно нажимать на кнопки.

 

 

 

 

 

 

     С движка  переменного резистора R14 сигнал  подан на вход микросхемы DA3 для  дальнейшего усиления. Коэффициент  передачи усилителя определяется  соотношением номиналов резисторов R21 и R22 в цепи обратной связи. Для изменения постоянной составляющей выходного сигнала в пределах от -5 до +5 В на вывод 4 DA3 подается напряжение с движка переменного резистора R17. Разомкнув контакты выключателя SA1, можно оперативно сделать сигнал симметричным относительно нуля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Неприятная особенность  дифференциальных усилителей AD8130AR —  склонность к самовозбуждению при  работе на емкостную нагрузку. Для  устранения этого эффекта в выходную цепь усилителя DA3 включен последовательно резистор R25. Он, конечно, уменьшает амплитуду сигнала при низкоомной нагрузке, но с этим в любительских условиях вполне можно смириться. Ведь входное сопротивление низкочастотной аппаратуры редко бывает меньше нескольких сотен ом.

Хотя выходной ток усилителя AD8130AR может достигать 40 мА, длительная работа в таком режиме ведет к перегреву микросхемы и выходу ее из строя. Дополнительный защитный резистор R26 ограничивает выходной ток до безопасного даже при длительном замыкании выхода значения. При работе на низкоомную нагрузку этот резистор можно исключить выключателем SA2. Повышение надежности работы микросхем DA2 и DA3 достигается также снижением напряжения их питания до +9 и -9 В при допустимом +12,6 и -12,6 В.

Работой микросхемы DDS управляет микроконтроллер DD1. К нему же подключен ЖКИ HG1 (две строки по 16 символов, встроенный контроллер HD44780). В нижней строке ЖКИ с точностью 0,1 Гц отображается заданное значение частоты выходного сигнала генератора. Его устанавливают с помощью кнопок SB1—SB4. Прежде всего, нажатиями на кнопки SB3 и SB4 переводят курсор на одну из отображаемых на табло цифр. Ее "вес" (0,1 Гц; 1 Гц; 10 Гц и т. д. до 1 МГц) определит шаг, с которым будет изменяться частота при нажатии и удержании кнопки SB1 или SB2. В верхней строке ЖКИ выводится значение периода генерируемого сигнала — в микросекундах, если частота менее 300 Гц, или в наносекундах, если она больше.

Схема блока питания  генератора изображена на рис. 2. Его  выходные напряжения +5, +9 и -9 В стабилизированы соответственно микросхемами DA4—DA6. Резистор R27 ограничивает ток в цепи подсветки табло ЖКИ HG1. Подключение этой цепи к минусовому выходу выпрямителя объясняется стремлением равномернее распределить нагрузку между выходами.

Частота генерируемого  микросхемой DDS сигнала F определяется по формуле

где Fmclk — тактовая частота; dPhase — 32-разрядный код частоты. Значения F и FMCLk выражены в одних и тех  же единицах, например в герцах. Поскольку dPhase может быть только целым числом, при тактовой частоте 25 МГц дискретность установки частоты получается около 0,006 Гц.

Программа, загруженная  в микроконтроллер DD1, исходя из заданной частоты, вычисляет код dPhase и загружает  его в микросхему DD2. Затем по этому  значению рассчитывает и выводит  на индикатор период генерируемого сигнала. Из-за описанной выше дискретности результат при частоте менее 10 Гц может заметно отличаться от полученного по формуле T=1/F.

Вопреки распространенному  мнению о примитивности и несовершенстве системы команд микроконтроллеров PIC, двух килобайт внутренней памяти и 35 команд оказалось вполне достаточно для проведения всех расчетов без каких-либо упрощений и округлений. Поэтому точность установки частоты определяется лишь разрядностью внутренних регистров микросхемы DDS, а также точностью и стабильностью частоты интегрального кварцевого генератора G1.

Микроконтроллер DD1 сконфигурирован  на работу от встроенного тактового RC-генератора с внешней частотозадающей  цепью. Тактовая частота должна быть равна 4 МГц. Ее можно проконтролировать на выводе 15 микроконтроллера, а при необходимости подкорректировать подборкой элементов R3 и С3. На точность установки выходной частоты прибора отклонение тактовой частоты микроконтроллера от номинала не влияет.

Если в течение примерно 3 с не нажимать ни на одну из кнопок SB1 — SB4, микроконтроллер перейдет в "спящий" режим, при этом останавливается и его тактовый генератор. Однако микросхема DDS продолжает работать, сигнал на выходе прибора остается прежним, а ЖКИ показывает его частоту. С нажатием на любую кнопку работа микроконтроллера возобновляется.

В генераторе можно использовать как устаревший, но широко распространенный микроконтроллер PIC16F84A, так и более  новый, имеющий такое же число  и назначение выводов PIC16F628. Последний  предпочтителен, так как в нем имеется встроенный тактовый генератор на 4 МГц, не требующий для своей работы внешних элементов. Так что резистор R3 и конденсатор СЗ в этом случае не нужны, вывод 16 микроконтроллера оставляют свободным. Разработаны и прилагаются к статье варианты программы для микроконтроллеров обоих типов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчетная  часть

 

Детектор понижения напряжения DA1 подключен нетрадиционно —  не к входу начальной установки  микроконтроллера, а к входу запроса  прерывания программы INT (RBO). В случае предшествующего, как правило, полному выключению прибора снижения напряжения питания микроконтроллера выполняется подпрограмма обработки прерывания, записывающая в EEPROM текущее значение частоты. При следующем включении генератора эта частота будет восстановлена. Детектор PST529C может быть заменен другим с напряжением срабатывания 4,3...4,7 В. Например, отечественным КР1171СП47.

 

ЖКИ МТ16S2Q-2YLG в настоящее  время снят с производства, производитель  рекомендует заменять его на MT16S2R-2YLG. При использовании других аналогичных ЖКИ (например, WH-1602) может потребоваться отключить вывод 3 индикатора от общего провода и с помощью подстроечного резистора номиналом 10 кОм подобрать напряжение на нем в пределах 0...+5 В, обеспечивающее наилучшую контрастность изображения.

 

4. Разработка  печатной платы

 

Печатная плата генератора и  его блока питания изображена на рис. 3. Некоторые элементы (микросхемы DD2, DA2, DA3, резисторы и конденсаторы типоразмера 0805 для поверхностного монтажа) размещены на стороне печатных проводников.