DDS генератор

Данная схема представляет простой генератор синуса на микросхеме от Analog Devices AD9832. Схема генерировала синусоиду от 0.005 до 12 МГц с шагом 0.005 Гц.

Генератор управляется через RS232 небольшой Windows-программой и может генерировать следующие формы сигналов: синус, треугольник, пила, прямоугольник в диапазоне частот начиная с 0.07 Гц до 200-300 кГц с шагом 0.07 Гц (зависит от применяемого кварца).

Схемотехника устройства тоже простая, в ней есть 4 главных детали: регулятор напряжения, приемопередатчик RS232, микроконтроллер AT90S2313P и резистивная матрица (R2R). Матрица R2R подключена к выводам МК portB, т.о. образуя простой ЦАП и позволяющая получить 256 уровней напряжения.

Микросхема MAX603 также используется для реализации функций включения/выключения генератора, через последовательный интерфейс RS232 (сигнал DTR). Когда вы закрываете программу генератора на компьютере, то и DDS-генератора по поступившему сигналу выключается, т.о. экономя батарейки.

Программный код написан на ассемблере. Код небольшой и отличается большим быстродействием главного цикла. Это сердце кода генератора. Главный цикл содержит 7 строчек кода.
Остальной код — таблицы форм сигналов и коммуникационный код.

Аккумулятор фазы — 24 бит, при помощи него устанавливается разрешение. Максимально генерируемая частота и разрешение также зависит от используемого кварца:
Разрешение = Частота кварца/150994944
fOut = Аккумулятор * Разрешение
В моем случае кварц был на 11.059200 МГц, т.о. разрешение составило 0.073242188 Гц.
Для того, чтобы получить выходную частоту 1 кГц, необходимо в аккумулятор фазы записать значение 0x003556 (13654 dec). Это даст 1000.048835 Гц. Вполне достаточная точность для радиолюбителя.

Коммуникационный код программы также прост и позволяет записывать значения в аккумулятор фазы и выбирать тип формы сигнала.

Генератор синусоидального сигнала является одним из наиболее распространенных приборов в любой измерительной лаборатории. Генераторы сигналов промышленного производства имеют большие габариты, вес и довольно высокую стоимость. С появлением микросхем прямого синтеза частоты DDS (Direct Digital Synthesizer) появилась возможность изготовить генератор синусоидальных сигналов, имеющий довольно высокие параметры при относительно простой схеме и конструкции.

Генератор позволяет плавно перестраивать частоту в диапазоне 0,1 Гц...6 мГц с шагом 0,1 Гц...1 мГц, амплитуда может регулироваться от 0 до 7 В. Возможно смещение выходного напряжения относительно нуля в пределах до +/- 5 В. В генераторе использована одна из самых дешевых микросхем прямого синтеза частоты – AD9832 с тактовой частотой 25 мГц. Управляющий контроллер PIC16F84 или PIC16F628. Установленная частота и период отображаются на ЖКИ индикаторе.

Принципиальная схема лабораторного генератора сигналов на DDS показана на рисунке. Выходной сигнал с микросхемы DDS генератора проходит через пассивный LC фильтр c частотой среза 10 мГц, который улучшает спектр сигнала, фильтруя высшие гармоники. Поскольку микросхема DDS работает с однополярным питанием, необходима схема сдвига уровня. Она выполнена на «ОУ с активной обратной связью» типа AD8130. Кроме сдвига уровня на этом ОУ реализован активный фильтр нижних частот второго порядка с частотой среза 10 мГц и коэффициентом передачи 2, который дополнительно подавляет высшие гармоники.

Отфильтрованный и симметричный относительно нуля сигнал с выхода ОУ подается на регулятор амплитуды - обычный переменный резистор. Применение обычного резистора, а не электронного аттенюатора обусловлено стремлением упростить и удешевить конструкцию. Да и в практической работе гораздо удобнее поворачивать ручку, а не заходить в меню, многократно нажимая кнопки. Хотя выходной ток AD8130 может достигать 40 мА, длительная работа с таким током приведет к перегреву и выходу из строя кристалла. Поэтому в схему введен дополнительный защитный резистор R26, который ограничивает выходной ток до безопасного уровня даже при длительном коротком замыкании выхода. При работе на низкоомную нагрузку этот резистор можно закоротить тумблером SA2.

Работой генератора прямого синтеза управляет микроконтроллер DD1. Индикатор HG1 – двухстрочный по 16 символов в строке на основе контроллера HD44780. В нижней строке отображается частота с точностью до 0,1 Гц. Ввод требуемого значения частоты осуществляется кнопками SB1…SB4. Можно плавно перестраивать DDS генератор в диапазоне частот 0,1 Гц...6 мГц с любым шагом из ряда 0,1 Гц; 1 Гц; 10 Гц;...1 мГц. В верхнюю строку индикатора выводится период в микросекундах для частот менее 300 Гц или в наносекундах для частот более 300 Гц.

Программа работает следующим образом. Вначале, исходя из введенной частоты, рассчитываются значения коэффициентов, загружаемых в DDS синтезатор. Затем по этому значению производится расчет периода генерируемой частоты. Результат, особенно на частотах менее 10 Гц, может несколько отличаться от того, который получился бы при расчете по формуле T=1/F. Это связано с тем, что частота в DDS синтезаторе может быть установлена не любая, а только с шагом FMCLK/2^32. Для тактовой частоты 25 мГц это около 0,006 Гц. Вопреки широко распространенному мнению о примитивности и несовершенстве системы команд PIC контроллеров двух килобайт внутренней памяти и 35 команд вполне достаточно для проведения всех расчетов без каких-либо упрощений и округлений. Поэтому точность установки частоты определяется только точностью и стабильностью тактового генератора DDS. Разработаны варианты программы для тактовой частоты 25 и 20 мГц.

Монитор питания DA1 использован не стандартно. В PIC контроллерах, в отличие от некоторых AVR, внутренняя память не склонна к искажению при медленном нарастании или снижении напряжения питания. Поэтому принимать специальные меры для внешнего сброса контроллера при включении и выключении нет необходимости. Монитор питания подключен к выводу порта RB0 и служит для подачи команды контроллеру на сохранение установленной частоты в EEPROM PIC при снижении напряжения питания ниже 4,7 В

В генераторе можно использовать как устаревший, но широко распространенный контроллер PIC16F84A, так и более новый, имеющий аналогичную цоколевку PIC16F628. Индикатор HG1 типа MT 16S2Q-2YLG производства фирмы МЭЛТ. Теоретический предел генерируемой частоты в DDS равен половине тактовой. На практике на частотах выше 1/4 тактовой начинается резкий спад амплитуды первой гармоники, который в какой-то степени можно скомпенсировать усложнением схемы фильтра. Но настройка генератора сигналов при этом резко усложняется, поэтому в данной конструкции верхняя частота принята равной 6 мГц. Однако, учитывая, что радиолюбители предпочитают реализовывать возможности своих приборов по максимуму, программно верхняя рабочая частота DDS генератора ограничена значением 11 мГц.

Заключение

За время прохождения 1-й производственной практики были получены следующие знания и навыки: