В первой части статьи рассматривается схемотехническое решение, устройство и конструкция DDS генератора (генератор с прямым цифровым синтезом формы сигнала) на микроконтроллере ATmega16 . В приборе, кроме синтеза сигнала различной формы и частоты, реализуется возможность регулировки амплитуды и смещения выходного сигнала.

Основные характеристики прибора:

• простое схемотехническое решение, доступные компоненты;
• односторонняя печатная плата;
• сетевой источник питания;
• специализированный выход частоты от 1 МГц до 8 МГц;
• DDS выход с регулировкой амплитуды и смещения;
• форма выходного DDS сигнала: синусоида, прямоугольные импульсы, пилообразные импульсы, треугольные импульсы, ЭКГ, шум;
• для отображения текущих параметров используется двухстрочный ЖК дисплей;
• пятикнопочная клавиатура;
• шаг перестройки частоты: 1, 10, 10, 1000, 10000 Гц;
• восстановление последней конфигурации при включении;
• регулировка смещения: -5 В … +5 В;
• регулировка амплитуды: 0 … 10 В;
• регулировка частоты: 0 … 65534 Гц.

За основу прибора, а точнее алгоритм работы микроконтроллера, была взята разработка DDS генератора Jesper Hansen . Предложенный алгоритм был немного переработан и адаптирован под компилятор WinAVR-GCC

Сигнальный генератор имеет два выхода: выход DDS сигнала и выход высокочастотного сигнала (1 - 8 МГц) прямоугольной формы, который может использоваться для «оживления» микроконтроллеров с неправильными установками Fuse-битов или для других целей.

Высокочастотный сигнал поступает непосредственно с микроконтроллера, с вывода OC1A (PD5). DDS сигнал формируется микроконтроллером с использованием цепочки резисторов R2R (ЦАП), регулировка смещения и амплитуды возможна благодаря использованию низкопотребляющего операционного усилителя LM358N .

Блок-схема DDS генератора

Как видно, для питания устройства необходимо три напряжения: +5 В, +12 В, -12 В. Напряжения +12 В и -12 В используются для аналоговой части устройства на операционном усилителе для регулировки смещения и амплитуды.

Принципиальная схема источника питания изображена на рисунке ниже.

В источнике питания используются стабилизаторы напряжения LM7812 , LM7805 , LM7912 (стабилизатор отрицательного напряжения -12 В).

Внешний вид источника питания для генератора

Возможно использование компьютерного блока питания форм-фактора ATX, для этого необходимо распаять переходник в соответствии со схемой:

Принципиальная схема прибора

Для сборки прибора потребуется:

• микроконтроллер ATmega16;
• кварцевый резонатор 16 МГц;
• стандартный двухстрочный ЖК индикатор на базе контроллера HD44780 ;
• R2R ЦАП выполненный в виде цепочки резисторов;
• сдвоенный операционный усилитель LM358;
• два потенциометра;
• пять кнопок;
• несколько коннекторов и разъемов.

Рисунок печатной платы

Примененные компоненты, за исключением микроконтроллера и разъемов, в корпусах для поверхностного монтажа (smd).

Прибор смонтированный в корпусе

Тестовый запуск

Загрузки

Принципиальная схема и печатная плата (формат Eagle) -
Проект для симуляции в среде Proteus -

• Кто пробовал сваять?
• Смотрите ветку Функцинальный генератор, начиная с 4 поста идет обсуждение этой конструкции, и пользователи QED и куко собрали этот генератор. И в протеусе был проверен - работает.
• скажите кто-нибудь, пожалуйста, перечень компонентов для блока питания используемые в первом(http://www..html?di=69926) варианте генератора. в частности интересует какой модель трансформатора и выпрямитель использовал автор. или хотя бы полные аналоги. из просьбы ясно, что я в электротехнике не силён, но думаю собрать осилю без углубления в дебри предмета. Просто форс-мажор. С конденсаторами и 3-мя стабилизаторами всё понятно. Собственно вот эта схема прикреплена.
• Трансформатор любой маломощный с двумя вторичными обмотками с выходным напряжением 15 В (переменка). В частности автор использовал трансформатор TS6/47 (2х15 В/2х0.25 А) Диодный мостик тоже любой маломощный сгодится. На фотке в статье виден и трансформатор и диодный мостик.
• а подскажите пожалуйста, какая связь должна быть между вторичным выходом трансформатора и выпрямителем, учитывая схему БП автора?:confused: ну имею ввиду, если на выходе трансформатора 15в (вроде нашел вот такой -ТПС-7.2(2х15В)сим.(7.2Вт)15Вх2_7.2Вт_сим.(0.24А)х2 - 160,00руб) , то какой выпрямитель к нему? и на случай, если 12в на выходе трансформатора?
• Не совсем понял вопрос, честно говоря... Трансформатор указанный вами вроде подходит... Мостик вполне, думаю подойдет к примеру DB106
• Vadzz, спасибо огромное за подсказку. если DB106 подходит, значит и имеющий аналогичные параметры W08 подойдет. это так? просто, именно его имеется возможность(желание) купить. и ещё не смог разобраться с номиналами конденсаторов на схеме автора, подскажите, пожалуйста. они в все в nF(нанофарад-нФ)?
• W08 - вполне подойдет. Конденсаторы в схеме блока питания или в схеме самого генератора? Если блок питания - то там все кондеры в микрофарадах (2000 мкф, 100 мкф, 0.1 мкф). В схеме генератора - по-моему только два кондера в обвязке кварца 18 пикофарад.
• Vadzz, безгранично благодарю. вроде все вопросы сняты. Со схемой самого генератора вроде немного проще(есть файл EAGLE). Буду воплощать в реальность. Если всё будет путём, то попробую выложить печатную плату (формат Eagle) Блока питания.
• Обязательно должно все получиться у вас... Рисунок печатной платы выкладывайте, кому-то обязательно пригодится...
• Я спаял и пользуюсь. Честно говоря по ходу возникли несколько проблем: 1) недостаток - невозможна перестройка частоты при включенном генераторе. Т.е. если нужно менять частоту, то сначала выключаем генерацию сигнала, потом перестраиваем частоту, потом снова включаем генерацию сигнала. Это зачастую неудобно, когда нужно следить за реакцией налаживаемого устройства на плавное изменение частоты. Например для управления оборотами шаговика перестраивать частоту нужно только плавно. 2) недостаток - дважды слетал EEPROM. Автор предусмотрел запоминание установленных режимов в EEPROM, но это совсем не обязательно. Уж лучше бы ничего не запоминал и не использовал его совсем. Или в крайнем случае при повреждении EEPROM грузил установки "по умолчанию" из FLASH. Зато был бы надежнее. В целом в остальном работой я доволен. Просьба к тем, кто смыслит в написании программ для AVR исправить эти два недостатка.
• По поводу перестройки частоты "налету" тут скорее всего нужно использовть DMA, чего в подобных микроконтроллерах нет. Может я ошибаюсь... надо глянуть исходники генератора... Насчет "слетает EEPROM" - интересно конечно причину узнать, но два раза я думаю еще не показатель.
• Готовые генераторы на ad9850(51) есть здесь: http://radiokit.tiu.ru/product_list/group_802113
• Готовые генераторы на AD9850 это хорошие девайсы, но другое дело когда собираешь и налаживаешь сам...
• Разрушение данных в EEPROM приводит к полной неработоспособности генератора. Очень неприятная проблема в самый неподходящий момент. Я обычно внутри корпуса генератора держу запасной запрограммированый контроллер. Но это же не выход из положения. Почему не предусмотреть сохранение только текущих данных, которые не повлияют в целом на работоспособность, если будет разрушение EEPROM? При потере данных из Flash грузим установки по умолчанию. Все остальное, что касается работоспособности программы хранится во Flash. Так надежнее будет работать. ПРЕДЛАГАЮ разместить список ссылок с другими проектами генераторов на AVR.
• Тут несколько людей собирали этот генератор (с их слов конечно же), они ничего не говорили по этому поводу, есть ли такая проблема у них или нет...
• Подскажите,в данном генераторе есть возможность менять только частоту или скважность тоже?
• В характеристика генератора указано, что можно менять частоту, к сожалению возможности менять скованность нет...
• парни подскажите по поводу RESET джампера -когда его включить и когда снять..... благодарю
• Нормальное состояние джампера - разомкнут.И это скорее всего не джампер, а имелось ввиду разъем для возможности подключения кнопки, с помощью которой можно будет сбрасывать мк, если вдруг чего...

Данный функциональный DDS-генератор сигналов собран на микроконтроллере AVR, обладает хорошей функциональностью и имеет амплитудный контроль.

Данный генератор базируется на алгоритме DDS-генератора Jesper, программа была модернизирована под AVR-GCC C со вставками кода на ассемблере. Прибор имеет два выходных сигнала: первый - DDS сигналы, второй - высокоскоростной (1–8МГц) «прямоугольный» выход, который может использоваться для оживления МК с неправильными фузами и для других целей.

Высокоскоростной сигнал HS (High Speed) берется напрямую с микроконтроллера Atmega16 OC1A (PD5). DDS-сигналы формируются с других выходов МК через резистивную R2R-матрицу и через микросхему LM358N, которая позволяет осуществить регулировку амплитуды (Amplitude) сигнала и смещение (Offset).

Смещение и амплитуда регулируются при помощи двух потенциометров. Смещение может регулироваться в диапазоне +5В…-5В, а амплитуда - 0–10В. Частота DDS-сигналов может регулироваться в пределах 0–65534 Гц, этого более чем достаточно для тестирования аудио-схем и других радиолюбительских задач.

Основные характеристики DDS-генератора сигналов и конструктивные особенности

• простая схема с распространенными и недорогими радиоэлементами;
• односторонняя печатная плата;
• встроенный блок питания;
• отдельный высокоскоростной выход (HS) до 8МГц;
• DDS-сигналы с изменяемой амплитудой и смещением;
• DDS-сигналы: синус, прямоугольник, пила и реверсивная пила, треугольник, ЭКГ-сигнал и сигнал шума;
• 2х16 LCD экран;
• интуитивная 5-ти кнопочная клавиатура;
• шаги для регулировки частоты: 1, 10, 100, 1000, 10000 Гц;
• запоминание последнего состояния после включения питания.

DDS-генератор сигналов - схема, плата, радиоэлементы

Схема функционального генератора простая и содержит легкодоступные элементы.

• 3 линейных регулятора - LM7805, LM7812 и LM7912.
• Диодный мост (B1).
• 5 электролитических конденсаторов - C1, C7 (2х2000 мкФ) и C3, C5, C9 (3х100 мкФ).
• 3 конденсатор (C4, C6, C10) - 0.1 мкФ.
• Трансформатор (TR1) - 220В - 2x15В.
• Плавкий предохранитель (F1).
• Переключатель (S1) - 220В.
• 2 разъём (X1 и JP1) - Сеть 220В и 4 контакта (Выход БП) соответственно.

• МК AVR 8-бит (IC1) - ATmega16.
• Операционный усилитель (IC2) - LM358N (КР1040УД1).
• 4 конденсатора - C2, C3 (2х0.1 мкФ) и C6, C7 (2х18 пФ).
• 13 резисторов - R1 (500 Ом); R2, R6, R8, R10, R12, R14, R16, R18 (10 кОм); R3, R21 (100 кОм); R20 (100 Ом); R22 (12 кОм).
• 3 подстроечных резистора POT (10 кОм), POT1 (1 кОм) и POT2 (47 кОм).
• LCD-дисплей - HD44780 2x16.
• Кварц (Q1) - 16 МГц.
• 6 кнопок (BUTTONS, RESET).
• 3 разъёма - HS, DDS (2 контакта, BNC); ISP (PLD-6, Разъём ISP); JP1 (4 контакта, разъём питания).

Программное обеспечение DDS-генератора сигналов

Как уже говорилось выше, в основе своей программы использован алгоритм DDS-генератора Jesper. Было добавлено несколько строчек кода на ассемблере для реализации остановки генерирования. Теперь алгоритм содержит 10 ЦПУ циклов, вместо 9.

void static inline Signal_OUT(const uint8_t *signal, uint8_t ad2, uint8_t ad1, uint8_t ad0){
asm volatile("eor r18, r18 ;r18<-0? "\n\t"
"eor r19, r19 ;r19<-0? "\n\t"
"1:" "\n\t"
"add r18, %0 ;1 cycle" "\n\t"
"adc r19, %1 ;1 cycle" "\n\t"
"adc %A3, %2 ;1 cycle" "\n\t"
"lpm ;3 cycles" "\n\t"
"out %4, __tmp_reg__ ;1 cycle" "\n\t"
"sbis %5, 2 ;1 cycle if no skip" "\n\t"
"rjmp 1b ;2 cycles. Total 10 cycles" "\n\t"
:
:"r" (ad0),"r" (ad1),"r" (ad2),"e" (signal),"I" (_SFR_IO_ADDR(PORTA)), "I" (_SFR_IO_ADDR(SPCR))
:"r18?, "r19?
);}

Собираем простой функциональный генератор для лаборатории начинающего радиолюбителя

Доброго дня уважаемые радиолюбители! Приветствую вас на сайте “ “

Собираем генератор сигналов – функциональный генератор. Часть 3.

Доброго дня уважаемые радиолюбители! На сегодняшнем занятии в Школе начинающего радиолюбителя мы закончим собирать функциональный генератор . Сегодня мы соберем печатную плату, припаяем все навесные детали, проверим работоспособность генератора и проведем его настройку с помощью специальной программы.

И так, представляю вам окончательный вариант моей печатной платы выполненной в программе, которую мы рассматривали на втором занятии – Sprint Layout :

Если вы не смогли сделать свой вариант платы (что-то не получилось, или было просто лень, к сожалению), то можете воспользоваться моим “шедевром”. Плата получилась размером 9х5,5 см и содержит две перемычки (две линии синего цвета). Здесь вы можете скачать этот вариант платы в формате Sprint Laiout^

(63.6 KiB, 3,488 hits)

После применения лазерно-утюжной технологии и травления, получилась такая заготовка:

Дорожки на этой плате выполнены шириной 0,8 мм, почти все контактные площадки диаметром 1,5 мм и почти все отверстия – сверлом 0,7 мм. Я думаю, что вам будет не очень сложно разобраться в этой плате, и так-же, в зависимости от используемых деталей (особенно подстроечные сопротивления), внести свои изменения. Сразу хочу сказать, что эта плата проверенна и при правильной пайке деталей схема начинает работать сразу.

Немного о функциональности и красоте платы. Беря в руки плату, изготовленную в заводских условиях, вы наверняка замечали как она удобно подготовлена для пайки деталей – и сверху и снизу нанесена белым цветом так называемая “шелкография”, на которой сразу видны и наименование деталей и их посадочные места, что очень облегчает жизнь при пайке радиоэлементов. Видя посадочное место радиоэлемента, никогда не ошибешься в какие отверстия его вставлять, остается только глянуть на схему, выбрать нужную деталь, вставить ее и припаять. Поэтому мы сегодня сделаем плату приближенную к заводской, т.е. нанесем шелкографию на слой со стороны деталей. Единственное, эта “шелкография” будет черного цвета. Процесс очень прост. Если, к примеру, мы пользуемся программой Sprint Layout, то выбираем при печати слой К1 (слой со стороны деталей), распечатываем его как и для самой платы (но только в зеркальном отображении), накладываем отпечаток на сторону платы, где нет фольги (со стороны деталей), центрируем его (а на просвет протравленной платы рисунок виден прилично) и применяя способ ЛУТ переносим тонер на текстолит. Процесс – как и при переносе тонера на медь, и любуемся результатом:

После высверливания отверстий, вы реально будете видеть схему расположения деталей на плате. А самое главное, что это не только для красоты платы (хотя, как я уже говорил, красивая плата – это залог хорошей и долгой работы собранной вами схемы), а главное – для облегчения дальнейшей пайки схемы. Затраченные десять минут на нанесение “шелкографии” заметно окупаются по времени при сборке схемы. Некоторые радиолюбители, после подготовки платы к пайке и нанесения такой “шелкографии”, покрывают слой со стороны деталей лаком, тем самым защищая “шелкографию” от стирания. Хочу отметить, что тонер на текстолите держится очень хорошо, а после пайки деталей вам придется растворителем удалять остатки канифоли с платы. Попадание растворителя на “шелкографию”, покрытую лаком, приводит к появлению белого налета, при удалении которого сходит и сама “шелкография” (это хорошо видно на фотографии, именно так я и делал), поэтому, я считаю, что использовать лак не обязательно. Кстати, все надписи, контура деталей выполнены при толщине линий 0,2 мм, и как видите, все это прекрасно переноситься на текстолит.

А вот так выглядит моя плата (без перемычек и навесных деталей):

Эта плата выглядела бы намного лучше, если бы я не покрывал ее лаком. Но а вы можете как всегда поэкспериментировать, и естественно, сделать лучше. Кроме того, у меня на плате установлены два конденсатора С4, нужного номинала (0,22 мкФ) у меня не оказалось и я заменил его двумя конденсаторами номиналом 0,1 мкФ соединив их параллельно.

Продолжаем. После того, как мы припаяли все детали на плату, припаиваем две перемычки, припаиваем с помощью отрезков монтажных проводов резисторы R7 и R10, переключатель S2. Переключатель S1 пока не припаиваем а делаем перемычку из провода, соединяя выводы 10 микросхемы ICL8038 и конденсатора С3 (т.е. подключаем диапазон 0,7 – 7 кГц), подаем питание с нашего (я надеюсь собранного) лабораторного блока питания на входы микросхемных стабилизаторов около 15 вольт постоянного напряжения

Теперь мы готовы к проверке и настройке нашего генератора. Как проверить работоспособность генератора. Очень просто. Подпаиваем к к выходам Х1 (1:1) и “общий” любой обыкновенный или пьезокерамический динамик (к примеру от китайских часов в будильнике). При подключении питания мы услышим звуковой сигнал. При изменении сопротивления R10 мы услышим как изменяется тональность сигнала на выходе, а при изменении сопротивления R7 – как изменяется громкость сигнала. Если у вас этого нет, то единственная причина в неправильной пайке радиоэлементов. Обязательно пройдитесь еще раз по схеме, устраните недостатки и все будет о,кей!

Будем считать, что этот этап изготовления генератора мы прошли. Если что-то не получается, или получается, но не так, обязательно задавайте свои вопросы в комментариях или на форуме. Вместе мы решим любую проблему.

Продолжаем. Вот так выглядит плата, подготовленная к настройке:

Что мы видим на этой картинке. Питание – черный “крокодил” на общий провод, красный “крокодил” на положительный вход стабилизатора, желтый “крокодил” – на отрицательный вход стабилизатора отрицательного напряжения. Припаянные переменные сопротивления R7 и R10, а также переключатель S2. С нашего лабораторного блока питания (вот где пригодился двухполярный источник питания) мы подаем на схему напряжение около 15-16 вольт, для того, чтобы нормально работали микросхемные стабилизаторы на 12 вольт.

Подключив питание на входы стабилизаторов (15-16 вольт) с помощью тестера проверяем напряжение на выходах стабилизаторов (±12 вольт). В зависимости от используемых стабилизаторов напряжения будет отличаться от ± 12 вольт, но близки к нему. Если у вас напряжения на выходах стабилизаторов несуразные (не соответствуют тому, что надо), то причина одна – плохой контакт с “массой”. Самое интересное, что даже отсутствие надежного контакта с “землей” не мешает работе генератора на динамик.

Ну а теперь нам осталось настроить наш генератор. Настройку мы будем проводить с помощью специальной программы – виртуальный осциллограф . В сети можно найти много программ имитирующих работу осциллографа на экране компьютера. Специально для этого занятия я проверил множество таких программ и остановил свой выбор на одной, которая, как мне кажется, наиболее лучше симулирует осциллограф – Virtins Multi-Instrument . Данная программа имеет в своем составе несколько подпрограмм – это и осциллограф, частотомер, анализатор спектра, генератор, и кроме того имеется русский интерфейс:

Здесь вы можете скачать данную программу:

(41.7 MiB, 5,238 hits)

Программа проста в использовании, а для настройки нашего генератора потребуется лищь минимальное знание ее функций:

Для того чтобы настроить наш генератор нам необходимо подключиться к компьютеру через звуковую карту. Подсоединиться можно через линейный вход (есть не у всех компьютеров) или к разъему “микрофон” (есть на всех компьютерах). Для этого нам необходимо взять какие-либо старые, ненужные наушники от телефона или другого устройства, со штекером диаметром 3,5 мм, и разобрать их. После разборки припаиваем к штекеру два провода – как показано на фотографии:

После этого белый провод подпаиваем к “земле” а красный к контакту Х2 (1:10). Регулятор уровня сигнала R7 ставим в минимальное положение (обязательно, что-бы не спалить звуковую карту) и подключаем штекер к компьютеру. Запускаем программу, при этом в рабочем окне мы увидим две запущенные программы – осциллограф и анализатор спектра. Анализатор спектра отключаем, выбираем на верхней панели “мультиметр” и запускаем его. Появится окошко, которое будет показывать частоту нашего сигнала. С помощью резистора R10 устанавливаем частоту около 1 кГц, переключатель S2 ставим в положение “1” (синусоидальный сигнал). А затем, с помощью подстроечных резисторов R2, R4 и R5 настраиваем наш генератор. Сначала форму синусоидального сигнала резисторами R5 и R4, добиваясь на экране формы сигнала в виде синусоиды, а затем, переключив S2 в положение “3” (прямоугольный сигнал), резистором R2 добиваемся симметрии сигнала. Как это реально выглядит, вы можете посмотреть на коротком видео:

После проведенных действий и настройки генератора, припаиваем к нему переключатель S1 (предварительно удалив перемычку) и собираем всю конструкцию в готовом или самодельном (смотри занятие по сборке блока питания) корпусе.

Будем считать, что мы успешно со всем справились, и в нашем радиолюбительском хозяйстве появился новый прибор – функциональный генератор . Оснащать его частотомером мы пока не будем (нет подходящей схемы) а будем его использовать в таком виде, учитывая, что нужную нам частоту мы можем выставить с помощью программы Virtins Multi-Instrument . Частотомер для генератора мы будем собирать на микроконтроллере, в разделе “Микроконтроллеры”.

Следующим нашим этапом в познании и практическом претворении в жизнь радиолюбительских устройств будет сборка светомузыкальной установки на светодиодах.

При повторении данной конструкции был случай, когда не удалось добиться правильной формы прямоугольных импульсов. Почему возникла такая проблема сказать трудно, возможно из-за такой работы микросхемы. Решить проблему очень легко. Для этого необходимо применить триггер Шмитта на микросхеме К561(КР1561)ТЛ1 по нижеприведенной схеме. Данная схема позволяет преобразовывать напряжение любой формы в прямоугольные импульсы с очень хорошей формы. Схема включается в разрыв проводника, идущего от вывода 9 микросхемы, вместо конденсатора С6.

Этот проект - качественный и универсальный функциональный генератор, который несмотря на некоторую сложность схемы, по крайней мере в сравнении с более простыми , обладает очень широким функционалом, что оправдывает затраты на его сборку. Он способен выдавать 9 различных форм сигналов, а также работать с синхронизацией импульсов.

Принципиальная схема генератора на МК

Параметры устройства

• Частотный диапазон: 10 Гц - 60 кГц
• Цифровая регулировка частоты с 3 различными шагами
• Формы сигнала: Sine, Triangle, Square, Saw, H-pulse, L-pulse, Burst, Sweep, Noise
• Выходной диапазон: 15 В для синуса и треугольника, 0-5 В для других режимов
• Имеется выход для синхронизации импульсов

Питание прибора осуществляется от 12 вольт переменки, что обеспечивает достаточно высокое (свыше 18 В) напряжение постоянного тока, необходимое для нормальной эксплуатации 78L15 и 79L15, формирующих двухполярку по 15 В. Это делается для того, чтобы микросхема LF353 могла вывести полный диапазон сигналов на нагрузке 1 кОм.

Регулятор уровня использован ALPS SRBM1L0800. В схеме следует использовать резисторы с погрешностью ±1% допуска или лучше. Ограничители тока светодиодов - резисторы 4306R серии. Яркость может быть увеличена в зависимости от предпочтений исполнителя. Генератор собран в пластиковом корпусе 178x154x36 мм с алюминиевой передней и задней панелями.

Многие контактные компоненты монтируются на передней и задней панелях (кнопки, ручки, разъемы RCA, светодиодные сборки, разъем питания). Печатные платы крепятся к корпусу болтами с пластиковыми прокладками. Все остальные элементы генератора смонтированы на печатных платах - блок питания отдельно. Левая кнопка по середине для изменения режима, правая - для выбора частоты режима.

Генератор вырабатывает различные сигналы и работает в трех режимах, которые выбираются с помощью клавиши "Select" и указываются тремя верхними (на схеме) светодиодами. Поворотный регулятор изменяет параметры сигнала в соответствии со следующей таблицей:

Сразу после настройки в режиме 1 идёт генерация синуса. Однако, начальная частота довольно низкая и по крайней мере один щелчок энкодера необходим, чтобы увеличить его. На плате есть контакт подключения прибора для программирования, что позволяет оперативно изменять функциональность генератора сигналов, если необходимо. Все файлы проекта - прошивки PIC16F870, рисунки плат, находятся

Сегодня устройства прямого цифрового синтеза аналоговых сигналов - синтезаторы DDS-все шире применяются в радиоэлектронных системах, причем как для работы в высокочастотном диапазоне (до сотен мегагерц), так и на низких частотах, вплоть до единиц герц. Благодаря развитию электроники и технологии микросхемы-синтезаторы DDS становятся весьма недорогими компонентами, в то же время обеспечивающими высочайшее качество генерируемых сигналов. Фирма Analog Devices является одним из лидеров в данной области и выпускает широкую номенклатуру синтезаторов DDS. Предлагаем вашему вниманию перевод статьи о синтезаторах DDS из журнала Analog Dialogue. Журнал Analog Dialogue посвящен продукции фирмы Analog Devices, в нем публикуются материалы как прикладного, так и теоретического характера. Данный журнал бесплатно доступен на сайте www.analog.com, в настоящее время он выпускается только в электронном виде.

Что такое «прямой цифровой синтез»?

Прямой цифровой синтез (DDS) - метод, позволяющий получить аналоговый сигнал (обычно это синусоидальный сигнал) за счет генерации временной последовательности цифровых отсчетов и их дальнейшего преобразования в аналоговую форму посредством ЦАП. Так как сигнал сначала синтезируется в цифровой форме, такое устройство может обеспечить быстрое переключение частоты, высокое разрешение по сетке частот, работу в широком диапазоне частот. Благодаря развитию микросхемотехники и технологии на сегодняшний день синтезато- ры DDS представляют собой очень компактные микросхемы с низким энергопотреблением.

В каких случаях применяются синтезаторы DDS? Какие еще методы синтеза сигналов существуют?

В различных электронных устройствах часто требуется синтезировать сигналы различной частоты и формы, и с высокой точностью управлять параметрами этих сигналов. Необходим ли источник высококачественного сигнала с низким уровнем фазового шума и с быстрой перестройкой частоты (для телекоммуникационных систем) или же требуется просто синтезировать сигнал определенной частоты для промышленного тестового оборудования или для медицинских систем - в любом случае важными для разработчика параметрами являются удобство применения, компактность и низкая стоимость.

Существует много способов синтеза сигналов - от генераторов на основе петли ФАПЧ (такой подход доминирует при синтезе сигналов высокой частоты) до динамического цифрового управления цифро-аналоговым преобразователем (при синтезе низкочастотных сигналов). Но технология DDS быстро завоевывает популярность в качестве средства синтеза сигналов как в телекоммуникационных, так и в низкочастотных промышленных системах благодаря тому, что стало возможным реализовать на одной микросхеме программируемый генератор с высоким разрешением по частоте и с высоким качеством сигнала.

Кроме того, непрерывное совершенствование технологии и схемотехники привело к тому, что стоимость микросхем и их энергопотребление снизились до величин, немыслимых в прошлом.

Например, программируемый генератор DDS AD9833 (рис. 1), при работе от источника питания 5,5 В и при частоте кварцевого резонатора 25 МГц, потребляет не более 20 мВт.

Рис. 1. Однокристальный DDS синтезатор AD9833

Какие основные преимущества дает применение DDS-синтезаторов?

Синтезаторы DDS, подобные вышеупомянутой ИС AD9833, управляются посредством быстродействующего последовательного порта SPI, при этом для генерации синусоидального сигнала требуется только тактовый сигнал. Доступные в настоящее время синтезаторы DDS способны генерировать сигнал на частотах от 1 Гц до 400 МГц (при тактовой частоте 1 ГГц). Преимущества, предоставляемые малым энергопотреблением, низкой стоимостью и малыми размерами корпусов, в сочетании с отличным качеством сигнала и возможностью цифрового управления, делают синтезаторы DDS чрезвычайно привлекательными приборами по сравнению с гораздо менее гибкими схемами на дискретных элементах.

Какие сигналы можно получить на выходе типичного синтезатора DDS?

Синтезаторы DDS способны генерировать не только синусоидальный сигнал. На рис. 2 показаны прямоугольный, треугольный и синусоидальный сигналы на выходе ИС AD9833.

Рис. 2. Прямоугольный, треугольный и синусоидальный сигналы на выходе синтезатора DDS

Каким образом устройство DDS генерирует синусоидальный сигнал?

На рис. 3 показана функциональная схема синтезатора DDS: его основными узлами являются накопитель значения фазы (аккумулятор фазы), средство преобразования значения фазы в амплитуду (обычно это ПЗУ с табличными значениями функции синуса) и ЦАП.

Рис. 3. Функциональная схема синтезатора DDS

Схема DDS генерирует синусоидальный сигнал с заданной частотой. Частота выходного сигнала определяется двумя параметрами: частотой тактового сигнала и двоичным числом, записанным в регистр частоты.

Это двоичное число, записанное в регистр частоты, подается на вход аккумулятора фазы. Если используется ПЗУ с табличными значениями синуса, то аккумулятор фазы вычисляет адрес (соответствующий мгновенному значению фазы) и подает его на вход ПЗУ, при этом на выходе ПЗУ мы получаем текущее значение амплитуды в цифровом виде. Далее ЦАП преобразует это цифровое значение в соответствующее значение напряжения или тока. Для генерации синусоиды с фиксированной частотой постоянная величина (приращение фазы, определяемое двоичным числом, записанным в регистр частоты) прибавляется к значению, хранящемуся в аккумуляторе фазы, с каждым импульсом тактового сигнала. Если значение приращения велико, аккумулятор фазы будет быстро пробегать всю таблицу синуса, хранящуюся в ПЗУ, и частота сигнала при этом будет высока. Если значение приращения фазы мало, аккумулятору фазы понадобится больше шагов, чтобы пройти всю таблицу ПЗУ, и соответственно частота сигнала на выходе будет низкой.

Что подразумевается под словами «интегральный DDS синтезатор»?

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), выполненный на одном кристалле со схемой генерации цифровых отсчетов (DDS) представляет собой законченный интегральный DDS-синтезатор. Таковыми являются все DDS-синтезаторы фирмы Analog Devices.

Подробнее о принципах работы аккумулятора фазы

Мгновенное значение фазы непрерывного синусоидального сигнала циклически изменяется в диапазоне от 0 до 2π. π Значение фазы генерируется в цифровом виде. Функция переноса, которой обладает счетчик, позволяет реализовать в синтезаторе DDS непрерывное циклическое изменение величины фазы.

Чтобы понять, каким образом осуществляется генерация, представьте себе синусоидальные колебания в виде вектора, вращающегося по окружности (рис. 4). Каждая точка на окружности соответствует определенной точке синусоиды. Вектор вращается по окружности, при этом величина синуса угла является выходным сигналом. Один оборот вектора с постоянной скоростью обеспечивает генерацию одного периода синусоиды. Аккумулятор фазы генерирует значения угла с одинаковыми приращениями, величина, находящаяся в аккумуляторе фазы, соответствует определенной точке окружности.

Рис. 4. Циклическое вычисление фазы

определенной точке окружности. Аккумулятор фазы представляет собой счетчик по модулю М, значение которого увеличивается с каждым приходом тактового импульса. Величина приращения задается двоичным числом М. Это число определяет величину приращения значения фазы с каждым тактовым импульсом, в сущности, этим числом определяется число пропущенных отсчетов при движении по окружности. Чем больше размер шага, тем быстрее происходит переполнение аккумулятора фазы и более коротким получается период синусоиды. Разрядностью аккумулятора фазы (n) определяется общее число возможных значений фазы, что в свою очередь обусловливает разрешение сетки частот синтезатора DDS. Для 28-разрядного аккумулятора фазы при М = 0000...0001 аккумулятор будет переполняться после 228 циклов (тактовых импульсов). При М = 0111...1111 аккумулятор фазы будет переполняться всего за 2 цикла (это минимальное число циклов, удовлетворяющее критерию Найквиста). Эти соотношения описываются следующей простой формулой:

f out = (М x f c)/2 n

где f out - частота выходного сигнала DDS; М- двоичное число, определяющее частоту сигнала; f c - частота сигнала тактирования; n- разрядность аккумулятора фазы.

При изменении значения М частота на выходе синтезатора меняется сразу и при этом сигнал не имеет разрывов. Здесь отсутствует переходный процесс захвата частоты, присущий генераторам с петлей ФАПЧ.

При увеличении выходной частоты число отсчетов на один цикл уменьшается. Так как теорема отсчетов требует наличия как минимум двух отсчетов на период для полного восстановления выходного сигнала, максимальная частота синтезируемого сигнала DDS будет составлять f c /2. Однако на практике частота синтезируемого сигнала ограничивается несколько меньшим значением, что способствует улучшению качества синтезируемого сигнала и облегчению его фильтрации.

При генерировании сигнала постоянной частоты код на выходе аккумулятора фазы увеличивается по линейному закону, что соответствует линейному пилообразному аналоговому сигналу.

Каким образом этот линейный сигнал преобразуется в синусоиду?

Для преобразования выходного кода аккумулятора фазы (в случае ИС AD9833 - это 28-разрядный код) в мгновенные значения амплитуды используется ПЗУ с табличными значениями отсчетов синуса. Младшие разряды 28-разрядного кода отбрасываются; на выходе табличного ПЗУ мы получаем 10-разрядный код, который подается на ЦАП. Так как синусоида обладает симметричностью, в синтезаторе DDS хранятся табличные данные только об 1/4 части синусоиды. Табличное ПЗУ генерирует полный цикл синусоиды за счет чтения данных сначала в прямом, затем в обратном порядке. Схематически принцип работы синтезатора проиллюстрирован на рис. 5.

Рис. 5. Сигналы в синтезаторе DDS

В каких областях применяются синтезаторы DDS?

Области применения синтезаторов DDS делятся на две категории: разработчикам теле-коммуникационных устройств требуются генераторы с мгновенной перестройкой частоты, с низким уровнем фазового шума и с низким уровнем гармоник и интермодуляционных составляющих. В таких случаях часто применяются синтезаторы DDS как обладающие хорошими характеристиками с точки зрения спектра выходного сигнала и высоким разрешением по частоте. В этих областях синтезаторы DDS применяются для модуляции сигнала, в качестве источников опорного сигнала для генераторов с петлей ФАПЧ, в качестве генераторов-гетеродинов, и даже для прямого синтеза радиосигнала.

Другая категория - это различные промышленные и медицинские системы, где синтезаторы DDS используются в качестве программируемых генераторов. Так как синтезатор DDS программируется с помощью цифрового сигнала, фазой и частотой сигнала легко управлять без переключения внешних компонентов, которое требовалось бы в случае применения аналоговых генераторов. Синтезатор DDS позволяет легко перестраивать частоту в реальном времени для настройки на резонансную частоту или для компенсации температурного дрейфа. Синтезаторы DDS применяются в подобных случаях для измерения импеданса (например, при работе с датчиками, у которых изменяется импеданс), для генерации импульсных сигналов для стимуляции, или для измерения затухания в локальных сетях или в телефонном кабеле.

Какие свойства синтезаторов DDS являются основными преимуществами с точки зрения проектировщика?

Современные недорогие, высокопроизводительные и высокоинтегрированные синтезаторы DDS становятся очень популярными как в коммуникационных системах, так и в устройствах с датчиками. Среди привлекательных для разработчика свойств можно отме- тить следующие:

• Цифровая настройка частоты с точностью до микрогерц и фазы с точностью до долей градуса.
• Чрезвычайно большая скорость перестройки частоты (или фазы) выходного сигнала; переключение частоты производится при непрерывной фазе сигнала без выбросов и без переходных процессов захвата частоты, присущих системам с ФАПЧ.
• Цифровая архитектура синтезаторов DDS позволяет избавиться от элементов ручной настройки и от явлений, связанных с температурным и временным дрейфом, присущим аналоговым системам.
• Цифровой интерфейс синтезаторов DDS позволяет без труда реализовать дистанционное управление синтезатором с помощью микропроцессора.

Каким образом использовать синтезатор DDS для FSK-модуляции?

Двоичная модуляция со сдвигом частоты (FSK, frequency-shift keying) является одним из простейших способов кодирования данных. Данные передаются за счет переключения не- сущей частоты между двумя различными зна- чениями. Одна частота - f 1 (предположим, та, которая выше) обозначает логическую еди- ницу, а другая - f 0 - логический ноль. На рис. 6 показан исходный двоичный сигнал и полученный модулированный сигнал.

Рис. 6. Модуляция FSK

Такой алгоритм кодирования легко реализовать при помощи синтезатора DDS. Для этого устанавливается двоичное число, определяющее частоту сигнала f0 или f1, соответствующую единице или нулю передаваемого кода. Пользователь задает соответствующие значения частот. В микросхеме AD9834 для пользователя доступны два регистра программирования частоты, что облегчает получение сигнала FSK. В данной микросхеме имеется специальный вход (FSELECT), на который можно подавать модулирующий сигнал и выбирать одно из двух значений частоты (точнее, один из двух регистров частоты). Функциональная схема на рис. 7 иллюстрирует процесс получения сигнала FSK.

Рис. 7. Генератор сигнала FSK на базе синтезатора DDS

А как получить сигнал с фазовой модуляцией PSK?

Кодирование со сдвигом фаз (PSK) - еще один простой способ кодирования. При модуляции PSK частота несущей остается постоянной, а фаза передаваемого сигнала меняется в соответствии с передаваемым кодом.

Из разновидностей модуляции PSK наиболее простой является двоичная импульсно-кодовая модуляция (BPSK) - в ней применяется только два значения фазы сигнала, 0° и 180°. Спомощью фазового сдвига 0° передается логическая единица, а при фазовом сдвиге 180° - логический ноль. Состояние каждого передаваемого разряда определяется по отношению к предыдущему разряду. Если фаза сигнала не меняется, это означает, что передаваемый сигнал находится постоянно в одном из логических состояний - 0 или 1. Если фаза изменилась на 180°, это значит, что состояние изменилось - с 0 на 1 или с 1 на 0.

Кодирование PSK легко реализовать с помощью микросхемы-синтезатора DDS. Большинство из них обладают отдельным регистром фазы, в который можно записать величину фазы. Эта величина прибавляется к фазе несущей частоты без изменения значения частоты. Изменение значения регистра фазы приводит к изменению фазы несущей частоты, таким образом, мы получаем сигнал с модуляцией PSK. Для тех случаев, где требуется модуляция с высокой скоростью, имеется ИС AD9834, в которой предусмотрены регистры, куда можно заранее записать величину фазы сигнала, а затем выбрать одно из двух значений фазы с помощью входа PSELECT, в результате чего мы получим требуемый сигнал с фазовой модуляцией.

Более сложные виды модуляции PSK подразумевают 4 или 8 различных значений фазы. При этом скорость передачи данных гораздо выше, чем при простейшей двоичной модуляции (BPSK). При модуляции с четырьмя значениями фазы (квадратурной модуляции, или QPSK) фаза может принимать значения 0°, +90°, –90° или 180°; таким образом, каждое значение фазы передает 2 бита информации. В микросхемах AD9830, AD9831, AD9832 и AD9835 имеется четыре регистра фазы, позволяющих реализовать сложные схемы модуляции за счет выбора одного из четырех значений сдвига фазы.

Рис. 8. Синхронизация синтезаторов DDS

Можно ли синхронизировать несколько синтезаторов DDS, например, для получения сигнала I-Q?

Можно применить два отдельных синтезатора DDS, работающих от одного источника тактирования, для получения двух выходных сигналов, фазы которых можно затем установить в соответствии с требуемой величиной. На рис. 8 две микросхемы AD9834 работают от общего источника тактовых импульсов и их входы сброса объединены. При такой конфигурации можно реализовать модуляцию I-Q.

Сигнал сброса должен быть подан на соответствующие входы микросхем после включения питания и до подачи данных на входы синтезаторов DDS. Этот сигнал установит синтезаторы DDS в исходное состояние с известной начальной фазой, что позволит синхронизировать несколько синтезаторов DDS. Когда в микросхемы одновременно загружаются новые данные, обеспечивается когерентность фаз выходных сигналов; соотношения фаз устанавливаются с помощью регистров сдвига фаз. Микросхемы AD9833 и AD9834 обладают 12-разрядными регистрами фазы, эффективная разрешающая способность составляет 0,1. Более детально синхронизация нескольких синтезаторов DDS описана в руководстве AN-605.

Какие параметры являются основными для синтезаторов DDS?

Это фазовый шум, дрожание фронтов (джиттер) и SFDR (динамический диапазон, свободный от гармоник). Фазовый шум (заданный в виде плотности dBc/Hz) является мерой нестабильности частоты генератора на коротких промежутках времени. Он измеряется в одной боковой полосе (в децибелах относительно основного сигнала, в полосе 1 Гц) при различной величине отстройки от основной частоты генерации. Этот параметр особенно важен для разработчиков телекоммуникационных систем.

Обладают ли синтезаторы DDS хорошими характеристикам с точки зрения фазового шума?

Шум в системе с дискретными данными зависит от многих факторов. Дрожание фазы (джиттер) тактового сигнала в системе DDS можно рассматривать как фазовый шум основного сигнала; кроме того, погрешность может вносить округление величины фазы, эта погрешность зависит от значения кода, задающего частоту сигнала. Если соотношение таково, что величина фазы точно равна величине после округления, то ошибка округления фазы отсутствует. Если величина фазы для точного выражения требует больше разрядов, чем имеется, то округление величины фазы будет проявляться в виде дополнительных пиков в спектре выходного сигнала. Величина этих пиков и их расположение зависит от заданного кода. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) также вносит дополнительные шумы в систему. Погрешности квантования и нелинейность ЦАП проявляются в виде шумов и гармоник в выходном сигнале. На рис. 9 показан спектр фазового шума, типичный для синтезатора DDS - в данном случае это ИС AD9834.

Рис. 9. Типичный спектр фазового шума выходного сигнала синтезатора DDS AD9834. Частота выходного сигнала 2 МГц, частота тактирования 50 МГц

А что насчет дрожания фронтов - джиттера?

Дрожание фронтов (джиттер) - это динамическое отклонение фронта сигнала от среднего положения фронта, измеренного за продолжительный период времени. Идеальный генератор обеспечивал бы абсолютно точное положение фронтов сигнала в определенные моменты времени, и это положение никогда бы не менялось. Такое, конечно, невозможно, и даже лучшие генераторы созданы из реальных элементов, обладающих шумами и другими несовершенствами. Высококачественный кварцевый генератор обладает величиной джиттера, не превышающей 35 пс.

Джиттер возникает за счет температурного шума, нестабильности параметров элементов генератора, внешних помех по питанию, по земле и даже через соединение выхода. Кроме того, оказывают влияние внешние магнитные и электрические поля, такие как поля от близко расположенных передатчиков. Даже простой усилитель, инвертор или буфер будет вносить дополнительный джиттер в выходной сигнал.

Таким образом, некоторое дрожание фазы будет присутствовать в выходном сигнале синтезатора DDS. Так как любому источнику тактового сигнала присущ некоторый джиттер, для начала необходимо выбрать тактовый генератор с минимальным джиттером. Один из способов уменьшить величину джиттера - получать тактовый сигнал посредством деления частоты высокочастотного тактового сигнала. При делении частоты та же величина джиттера распределяется на больший период времени, что снижает относительную величину джиттера.

В целом, чтобы минимизировать величину дрожания фазы, необходимо выбрать хороший источник тактовых импульсов, избегать сигналов с медленными фронтами и схем с низкой скоростью нарастания импульсов и работать при максимально возможной частоте тактирования, чтобы иметь достаточно большой запас по частоте.

SFDR - динамический диапазон, свободный от гармоник, - представляет собой соотношение (в децибелах) между величиной основного сигнала и величиной максимального пика в спектре выходного сигнала, включая гармоники, интермодуляционные составляющие и продукты наложения спектров.

SFDR является важным параметром для многоканальных систем. Если передатчик обладает недостаточно низким уровнем гармоник, эти гармоники могут являться источником помех для соседних каналов.

Типичный спектр выходного сигнала ИС AD9834 (10-разрядный DDS) при частоте тактирования 50 МГц показан на рис. 10. На рис. 10а частота выходного сигнала составляет ровно 1/3 от частоты тактирования (MCLK). Поэтому в данном случае в полосе 25 МГц практически отсутствуют гармоники, эффекты наложения спектров минимальны и спектр выглядит превосходно; все максимумы в спектре как минимум на 80 дБ слабее сигнала (SFDR = 80 дБ). На рис. 10b показан спектр выходного сигнала при более низкой частоте на выходе; здесь на один период приходится большее число отсчетов (но недостаточное для того, чтобы получить по-настоящему чистую синусоиду) и спектр выходного сигнала гораздо дальше отстоит от идеального; максимальная гармоника - вторая - имеет величину –50 дБ относительно основного сигнала (SFDR = 50 дБ).

рис 10 Спектр выходного сигнала синтезатора AD9834 при частоте тактирования 50 МГц и выходной частоте f out = MCLK/3 = 16,667 МГц (a) и f out = 4,8 МГц (b)

Какие имеются средства автоматизации разработки систем на базе синтезаторов DDS?

Существует интерактивный помощник разработчика, доступный через веб-интерфейс, позволяющий рассчитать коды частоты и фазы при заданной частоте тактирования, частоте и фазе выходного сигнала. Программа показывает спектр выходного сигнала, помогающий рассчитать выходной восстанавливающий фильтр. Пример показан на рис. 11. Кроме того, программа выводит в виде таблицы перечень всех основных гармоник и продуктов наложения спектров и их значения.

Рис. 11. Программа помощник разработчика систем на базе DDS

Как могут эти программы помочь мне запрограммировать синтезатор DDS?

Все необходимые исходные данные - это требуемая частота выходного сигнала и частота источника тактового сигнала. Программа на основе этих данных выдаст все коды, необходимые для программирования синтезатора DDS. В примере, показанном на рис. 12, частота тактирования MCLK=25 МГц, требуемая частота выходного сигнала - 10 МГц. Нажав на кнопку, мы получаем строчку Init Sequence, полностью отображающую последовательность программирования синтезатора DDS.

Рис. 12. Получение кода для программирования синтезатора DDS

Каким образом можно на практике ознакомиться с работой синтезатора DDS?

Для каждой микросхемы-синтезатора DDS, выпускаемой фирмой Analog Devices, выпускается также соответствующая оценочная плата (Evaluation Board). По поводу приобретения продукции и оценочных плат обращайтесь к дистрибьюторам. К оценочным платам прилагается программное обеспечение, позволяющее инженеру ознакомиться с работой платы в течение считанных минут после получения комплекта. К плате прилагается также техническое описание, содержащее схему и рекомендации по проектированию устройства и разводке платы.

Главная страница, посвященная синтезаторам DDS: www.analog.com/dds.

Средства разработки: http://www.analog.com/Analog_Root/static/techSupport/interactiveTools/#dds.

Углубленный курс по изучению технологии DDS: http://www.analog.com/UploadedFiles/Tutorials/450968421DDS_Tutorial_rev12-2-99.pdf.

Руководство по применению AN-605 (упоминавшееся выше): http://www.analog.com/UploadedFiles/Application_Notes/3710928535190444148168447035AN605_0.pdf.

Руководство по выбору микросхемы DDS: http://www.analog.com/IST/SelectionTable/?selection_table_id=27