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
Стоимость: $15,3
Прежде всего, DDS — Direct Digital Synthesizer или цифровой синтезатор сигналов или электронный прибор, предназначенный для синтеза сигналов произвольной формы и частоты из опорной частоты.
Зачем в хозяйстве радиолюбителя нужен генератор объяснять не буду. Готовые генераторы стоят недешево и весят прилично, поэтому их пересылка тоже дорогая. Поэтому решено было присмотреться к DDS модулям без корпуса и блока питания.
Выбор DDS-модулей на просторах интернет оказался невелик. Из более-менее недорогих и с нормальным набором функций я нашел только 2 вида. Они одинаковые по функционалу, отличаются только расположением органов управления и питанием. Для работы одного из них было нужно три напряжения (+12В, -12В и +5В), второй работает от одного напряжения 7-9В. Это было решающим, проще потом запитать его от готового блока питания и не придется специально городить схему питания.
Из описания на сайте:
Operating voltage: DC7-9V
DDS frequency range: 1HZ-65534Hz.
High-speed frequency (HS) output up to 8MHz;
DDS signal amplitude of the offset amount can be adjusted separately by two potentiometers;
DDS signals: sine wave, square wave, sawtooth, reverse sawtooth, triangle wave, the ECG wave and noise wave.
1602 LCD menu;
Intuitive keyboard.
Section into the value: 1,10,100,1000,10000 Hz;
The power automatically restore the last used configuration.
Offset: 0.5pp-5Vpp
Amplitude amount: 0.5Vpp-14Vpp
Сама плата сделана очень качественно, пайка приличная, флюс смыт.
Так как под руками не нашлось блока питания на 9В с подходящим разъемом подключил блок питания на 5В. Как ни странно, все заработало. Пришлось только чуть подкорректировать контрастность LCD дисплея. Для этого под самим дисплеем имеется подстроечный резистор.
У генератора удобный алфавитно цифровой LCD дисплей 1602 с синей подсветкой и немало кнопок управления и 2 ручки настройки. Пойдем по порядку. Разъем питания 8-9В (как уже выяснили и от 5В работает уверенно). Кнопка включения/выключения питания. Светодиод, сигнализирующий включение.
- вверх и вниз — выбор формы сигнала (функции);
- вправо и влево — выбор частоты генерации (шаг задается в меню Freq Step).
- центральная кнопка — старт/стоп генерации.
Две рукоятки управления:
- амплтиуда;
- оффсет 0,5 — 5В.
Сбоку 2 BNC разъема. Один для вывода DDS, второй для высокочастоного сигнала.
Генератор может формировать следующие формы импульсов:
- ECG = электрокардиограмма (in the OFF state, the «left «and «right» keys to set the output frequency. Middle button start, all of the following waveform set)
- NOISE = шум.
- SawTooth = пила.
- Rev Sawtooth = обратная пила.
- Triangle = треугольные.
- Sine=синусоида.
- Square = прямоугольные.
Уже давно пользуюсь генератором сигналов UDB1005S , построенном по DDS технологии, куплен он был на али за 30$.
Если кратко, то серия UDB100
x включает в себя 3 модели UDB1002, UDB1005, UDB1008,
последняя цифра определяет максимальную рабочую частоту, а буква S на конце, если она есть, говорит о том, что генератор поддерживает sweep_mode
. В основе генератора лежит связка плис + мк, мк обслуживает периферию(кнопки, энкодер, дисплей), а плис занимается генерацией сигнала.
Генератор имеет один аналоговый выход с возможностью регулировки амплитуды и смещения по постоянному напряжению, один цифровой с TTL уровнями, может работать в режиме счётчика импульсов и в режиме частотомера.
Теперь давайте рассмотрим основные особенности.
Аналоговый выход:
- Форма выходного сигнала: синусоидальный, прямоугольный, пилообразный
- Амплитуда выходного сигнала ≤9Vp-p(без нагрузки)
- Выходное сопротивление 50Ω±10%
- Смещение по постоянному напряжению ±2.5V(без нагрузки)
- Частотный диапазон
0.01Hz~2MHz(UDB1002S)
0.01Hz~5MHz(UDB1005S)
0.01Hz~8MHz(UDB1008S) - Точность частоты ±5×10－6
- Стабильность частоты ±1×10－6
- Время нарастания и спада прямоугольного сигнала ≤100ns
- Коэффициент заполнения прямоугольного сигнала 1%-99%
- Частотный диапазон
0.01Hz~2MHz(UDB1002S)
0.01Hz ~5MHz(UDB1005S)
0.01Hz ~8MHz(UDB1008S) - Амплитуда >3Vp-p
- Нагрузочная способность >20TTL
- Диапазон счётчика импульсов 0~4294967295
- Диапазон частотомера 1Hz~60MHz
- Диапазон входных напряжений 0.5Vp-p~20Vp-p
- Частотный диапазон fM1~fM2 (частоты предварительно устанавливаются)
- Временной диапазон 1s~99s
Что касается генератора качающей частоты , для его настройки необходимо задать два значения частоты и время, за которое частота генератора изменится от fM1 до fM2 . Это очень удобно если надо узнать как реагирует схема на разные частоты, например, с помощью генератора качающей частоты можно легко найти резонансную частоту контура с неизвестными элементами. Для этого через последовательно включённый резистор номиналом несколько сотен Ом подключаем генератор к контуру, а щупом осциллографа к выводам контура. Если контур последовательный, то на резонансной частоте амплитуда колебаний будет максимальна, а если параллельный - минимальна. Фиксируя амплитуду на экране осциллографа можно узнать резонансную частоту контура.
Но не буду отходить от темы, ниже приведу несколько осциллограмм для разных видов колебаний и разных частот.
Синус 1КHz
Синус 10КHz
Синус 100КHz
Синус 1МHz
Синус 5МHz
Пила 1КHz
Пила 10КHz
Пила 100КHz
Пила 1МHz
Пила 5МHz
Еще можно изменять наклон пилы
Меандр 1КHz
Меандр 10КHz
Меандр 100КHz
Меандр 1МHz
Меандр 5МHz
Меандр 100KHz с TTL выхода
Меандр 1МHz с TTL выхода
Меандр 5МHz с TTL выхода
На осциллограммах видно, что стабильность частоты сильно отличается от заявленной, также хотелось отметить, что если частота прямоугольного сигнала превышает 1MHz, сигнал начинает сильно дрожать.
Сигнал для проверки частотомера взял с калибратора осциллографа, по паспортным данным на его выходе должен быть меандр с частотой 1KHz, частотомер показал ровно 1KHz. Режим счётчика импульсов не тестировал.
Всё вышеперечисленное можно отнести к плюсам, ну а чего можно хотеть от генератора сигналов за 30$? А теперь минусы, их всего два за то какие.....
В общем, в этом генераторе присутствует импульсная система питания, которая очень шумит. На осциллограмме ниже видно, что происходит на выходе генератора в отсутсвие сигнала.
но это мелочь по сравнению с регулировкой амплитуды, при вращении ручки регулировки амплитуды, последняя изменяется скачками, поэтому выставить нужную амплитуду с погрешность 100mV очень сложно .
Быстрый поиск на ютубе по запросу «генератор сигналов с али» показал, что генератора сигналов, у которого можно точно выставить амплитуду стоит, гораздо дороже, поэтому по соотношению цена-возможности этот генератор вне конкуренции.
Генератор покупал .
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.
Как вы можете видеть, устройство требует наличия нескольких питающих напряжений: +5В, -12В, +12В. Напряжения +12В и -12В используются для регулирования амплитуды сигнала и смещения. Блок питания сконструирован с использованием трансформатора и нескольких микросхем стабилизаторов напряжения:
Блок питания собран на отдельной плате:
Если самому собирать блок питания нет желания, то можно использовать обычный ATX БП от компьютера, где уже присутствуют все необходимые напряжения.
DDS-генератор сигналов - схема, плата, радиоэлементы
Схема функционального генератора простая и содержит легкодоступные элементы.
Что касается списка необходимых радиоэлементов для БП:
- 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).
Функциональный генератор собран в пластиковом боксе:
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?
);}
Таблица форм DDS-сигналов размещена во флэш памяти МК, адрес которой начинается с 0xXX00. Эти секции определены в makefile, в соответствующих местах в памяти:
Максимальная частота - 65534 Гц (и до 8 МГц HS выход с меандром). И тут я подумал, что генератор - отличная задача, где ПЛИС сможет показать себя в лучшем виде. В качестве спортивного интереса я решил повторить проект на ПЛИС, при этом по срокам уложиться в два выходных дня, а параметры получить не строго определенные, а максимально возможные. Что из этого получилось, можно узнать под катом
День нулевой
До того, как наступят выходные, у меня было немного времени подумать над реализацией. Чтобы упростить себе задачу, решил сделать генератор не в виде отдельного устройства с кнопками и LCD экраном, а в виде устройства, которое подключается к ПК через USB. Для этого у меня есть плата USB2RS232 . Плата драйверов не требует (CDC), поэтому, я думаю, что и под Linux будет работать (для кого-то это важно). Так же, не буду скрывать, что с приемом сообщений по RS232 я уже работал. Модули для работы с RS232 буду брать готовые c opencores.com .Для генерации синусоидального сигнала потребуется ЦАП. Тип ЦАП я выбрал, как и в исходном проекте - R2R на 8 бит. Он позволит работать на высоких частотах, порядка мегагерц. Убежден, что ПЛИС с этим должна справиться
По поводу того, на чем написать программу для передачи данных через COM порт я задумался. С одной стороны, можно написать на Delphi7, опыт написания такой программы уже есть, к тому же размер исполняемого файла будет не большим. Еще попробовал набросать что-то для работы с Serial в виде java скрипта в html страничке, но более менее заработало только через Chrome serial API, но для этого надо устанавливать плагин… в общем тоже отпадает. В качестве новшества для себя попробовал PyQt5, но при распространении такого проекта, нужно тащить кучу библиотек. Попробовав собрать PyQt проект в exe файл, получилось больше 10 мб. То есть, будет ничем не лучше приложения, написанного на c++\Qt5. Стоит еще учесть, что опыта разработки на python у меня нет, а вот на Qt5 - есть. Поэтому выбор пал на Qt5. С пятой версии там появился модуль для работы с serial и я с ним уже работал. А еще приложение на Qt5 может быть перенесено на Linux и Mac (для кого-то это важно), а с 5.2 версии, приложения на QWidgets может быть перенесено даже на смартфон!
Что еще нужно? Естественно плата с ПЛИС. У меня их две (Cyclone iv EP4CE10E22C8N на 10 тыс. ячеек, и Cyclone ii EP2C5 на 5 тыс. ячеек). Я выберу ту, что слева, исключительно по причине более удобного разъема. В плане объема проект не предполагает быть большим, поэтому уместится в любую из двух. По скорости работы они не отличаются. Обе платы имеют «на борту» генераторы 50 МГц, а внутри ПЛИС есть PLL , с помощью которого я смогу увеличить частоту до запланированных 200 МГц.
День первый
В связи с тем, что модуль DDS я уже делал в своем синтезаторном проекте, то я сразу взялся за паяльник и начал паять ЦАП на резисторах. Плату взял макетную. Монтаж делал с применением . Единственное изменение, которое коснулось технологии - я отказался от кислоты Ф38Н для лужения стоек в пользу индикаторного флюс-геля ТТ . Суть технологии проста: в печатную плату впаиваю стойки, на них со стороны печатного монтажа припаиваю резисторы. Недостающие соединения выполняю накруткой. Еще, стойки удобны тем, что я их могу вставить прямо в плату ПЛИС.К сожалению, дома в наличии не оказалось резисторов 1 и 2 килоома. Ехать в магазин было некогда. Пришлось поступиться одним из своих правил, и выпаять резисторы из старой не нужной платы. Там применялись резисторы 15К и 30К. Получился вот такой франкенштейн:
После создания проекта нужно задать целевое устройство: Меню Assigments -> Device
В проекте я «нахадркодил» неуправляемый главный модуль DDS на фиксированную частоту.
Модуль генератора на 1000 Гц
module signal_generator(clk50M, signal_out); input wire clk50M; output wire signal_out; wire clk200M; osc osc_200M reg accumulator; assign signal_out = accumulator; //пробуем генерировать 1000 Гц //50 000 000 Hz - тактовая частота внешнего генератора //2^32 = 4 294 967 296 - разрядность DDS - 32 бита //делим 1000Hz / 50 000 000 Hz / 2 * 4294967296 => 42949,67296 always @(posedge clk50M) begin accumulator <= accumulator + 32"d42949; end endmodule
После этого нажал «Start Compilation», чтобы среда разработки задалась вопросом, какие у нас линии ввода вывода есть в главном модуле проекта и к каким физическим PIN"s они подключены. Подключить можно практически к любому. После компиляции назначаем появившиеся линии к реальным PIN микросхемы ПЛИС:
Пункт меню Assigments -> Pin Planner
На линии HS_OUT, key0 и key1 прошу пока не обращать внимание, они появляются в проекте потом, но скрин в самом начале я сделать не успел.
В принципе, достаточно «прописать» только PIN_nn в столбце Location, а остальные параметры (I/O standart, Current Strench и Slew Rate) можно оставить по умолчанию, либо выбрать такие же, что предлагаются по умолчанию (default), чтобы не было warning"ов.
Как узнать какому PIN соответствует номер разъема на плате?
Номера контактов разъема подписаны на плате
А пины ПЛИС, к которым подключены контакты разъема, описаны в документации, которая идет в комплекте с платой ПЛИС.
После того, как пины назначены, компилирую проект еще раз и прошиваю с помощью USB программатора. Если у вас не установлены драйверы для программатора USB Byte blaster, то укажите Windows, что они находятся в папке, куда у вас установлен Quartus. Дальше она сама найдет.
Подключать программатор нужно к разъему JTAG. А пункт меню для программирования «Tools -> Programmer» (либо нажать значек на панели инструментов). Кнопка «Start», радостное «Success» и прошивка уже внутри ПЛИС и уже работает. Только не выключайте ПЛИС, а то она все забудет.
Tools -> Programmer
ЦАП подключен к разъему платы ПЛИС. К выходу ЦАП подключаю осциллограф С1-112А. В результате должна получиться «пила» потому что на выход 8 бит выводится старшая часть слова DDS аккумулятора фазы. А оно всегда увеличивается, пока не переполнится.
Каких-то 1.5 часа и для частоты в 1000 Гц я вижу следующую осциллограмму:
Хочу заметить, что «пила» по середине имеет небольшой перелом. Он связан с тем, что резисторы имеют разброс значений.
Еще один важный момент, который нужно было выяснить - это максимально возможная частота, с которой будет работать DDS генератор. При правильно настроенных параметрах TimeQuest, после компиляции в «Compilation Report» можно увидеть, что скорость работы схемы выше 200 МГц с запасом. А это значит, что частоту генератора 50 МГц я буду умножать с помощью PLL на 4. Увеличивать значение аккумулятора фазы DDS буду с частотой 200 МГц. Итоговый диапазон частот, который можно получить в наших условиях 0 - 100 МГц. Точность установки частоты:
200 000 000 Гц (clk) / 2^32 (DDS) = 0,047 Гц
То есть, это лучше, чем ~0.05 Гц. Точность в доли герца для генератора с таким диапазоном рабочих частот (0...100 МГц) считаю достаточной. Если кому-то потребуется повысить точность, то для этого можно увеличить разрядность DDS (при этом не забыть проверить TimeQuest Timing Analyzer, что скорость работы логической схемы укладывалась в CLK=200 МГц, ведь это сумматор), либо просто снизить тактовую частоту, если такой широкий диапазон частот не требуется.
TimeQuest Timing Analyzer
После того, как я увидел на экране «пилу», семейные дела заставили меня ехать на дачу (выходной же). Там я косил, варил, жарил шашлык и не подозревал о том сюрпризе, что ждал меня вечером. Уже ближе к ночи, перед сном, я решил посмотреть форму сигнала для других частот.
Для частоты 100 КГц
Для частоты 250 КГц
Для частоты 500 КГц
Для частоты 1 МГц
День второй
В связи с тем, что было интересно, как будет работать ЦАП на резисторах 100 и 200 Ом, я сразу взялся за паяльник. На этот раз ЦАП получился более аккуратным, а времени на его монтаж ушло меньше.
Ставим ЦАП на плату ПЛИС и подключаем к осциллографу
Проверяем 1 МГц - ВО! Совсем другое дело!
Пила 10 МГц
Пила 25 МГц
Форма пилы на 10 МГц еще похожа на правильную. Но на 25 МГц она уже совсем «не красивая». Однако, у С1-112а полоса пропускания - 10 МГц, так что в данном случае причина может быть уже в осциллографе.
В принципе, на этом вопрос с ЦАП можно считать закрытым. Теперь снимем осциллограммы высокоскоростного выхода. Для этого, выведем старший бит на отдельный PIN ПЛИС. Данные для этой линии будем брать со старшего бита аккумулятора DDS.
Assign hs_out = accumulator;
Меандр 1 МГц
Меандр 5 МГц
Меандр 25 МГц
Меандр 50 МГц уже практически не виден
Но считаю, что выход ПЛИС стоило бы нагрузить на сопротивление. Возможно, фронты были бы круче.
Синус делается по таблице. Размер таблицы 256 значений по 8 бит. Можно было бы взять и больше, но у меня уже был готовый mif файл. С помощью мастера создаем элемент ROM с данными таблицы синуса из mif-файла.
Создание ROM - Tools -> Mega Wizard Plugin manager
Выбираем 1 портовую ROM и задаем название модулю
Соглашаемся
Тут тоже соглашаемся
С помощью browse находим наш mif файл с таблицей синуса
Тут тоже ничего не меняем
Снимаем галочку с модуля sine_rom_bb.v - он не нужен. Дальше finish. Квартус спросит добавить модуль в проект - соглашаемся. После этого, модуль можно использовать так же, как любой другой модуль в Verilog.
Старшие 8 бит слова аккумулятора DDS будут использоваться в качестве адреса ROM, а выход данных - значение синуса.
Код
//sine rom wire sine_out; sine_rom sine1(.clock(clk200M), .address(accumulator), .q(sine_out));
Осциллограмма синуса на разных частотах выглядит… одинаково.
При желании, можно рассмотреть проблемы ЦАП, связанные с разбросом резисторов:
Чтож, на этом выходные кончились. А ведь еще не написано ПО для управления с ПК. Вынужден констатировать факт, что в запланированные сроки я не уложился.
День третий
Времени совсем мало, поэтому программу пишем на скорую руку (в лучших традициях). Местами, чтобы сократить количество букв и удобство ввода информации с клавиатуры, применяется фильтр событий по имени виджета. Прошу понять и простить.Интерфейс
Ссылки с аналогами
Далеко не полный списокФункциональный DDS генератор. Создан базе AVR. Частоты 0… 65534 Гц.
Обзор DDS-генератора GK101. Создан с применением ПЛИС Altera MAX240. Частоты до 10 МГц.
Многофункциональный генератор на PIC16F870. Частотный диапазон: 11 Гц - 60 кГц.
генераторы
