Microsoft Word - Dokumentacja DDSGen.doc

Celem realizowanego projektu było zbudowanie generatora opartego o cyfrową syntezę tzw.

DDS.  Założenia  zakładały  możliwość  generowania  sygnałów:  sinusoidalnego,  prostokątnego
oraz  trójkątnego.  Zanim  zdefiniowano  końcowe  parametry  oraz  dobrano  elementy
przestudiowano  literaturę  w  odniesieniu  do  cyfrowego  generowania  sygnałów.  Tak  powstał
m.in.  generator  DDS  z  drabinką  R-2R.  Jednakże  generator  taki  umożliwiał  jedynie
generowanie  próbek  z  rozdzielczością  8  bitów  a  także  cechował  go  duży  współczynnik
zniekształceń w sygnale wyjściowym. Dlatego też projekt  ewoluował.  Dzięki pojawiającym się
coraz  częściej  artykułom  w  prasie  elektronicznej  poświęconym  generatorom  DDS,
prezentowany  projekt  nabrał  takiego  kształtu  jaki  w  tym  dokumencie  jest  prezentowany.
Głównym ograniczeniem, którym kierowano się podczas projektowania generatora była cena i
dostępność  elementów  w  Polsce.  M.in.  dlatego  upadł  pomysł  zastosowania  wzmacniacza
mnożącego  umożliwiającego  regulację  zarówno  amplitudy  jak  i  offsetu  (cyfrowa  regulacja),  a
skupiono  się  wyłącznie  na  regulacji  amplitudy  (wzmacniacz  z  możliwością  cyfrowej  reg.
amplitudy  AD8321).  Trzeba  nadmienić,  że  elementy  użyte  w  projekcie  nie  były  elementami
ogólnodostępnymi.  Zdobycie  układu  AD9833  (gen.  sygnałów)  wiązało  się  z  poszukiwaniami
na  aukcjach  internetowych,  zaś  wzmacniacza  AD8321  na  zapytaniu  do  firmy  Analog  Devices
w  ramach  oferowanego  wsparcia  „sample”.  W  trakcie  wszystkich  ewolucji  projekt  finalny
nabrał wysokiego podobieństwa do pracy magisterskiej z Politechniki Lubelskiej

Prezentowany generator powstawał około kilku miesięcy głównie ze względu na równoległe

realizowanie  innych  projektów  a  także  ze  względu  na  oczekiwanie  na  zamówione  elementy
oraz  czasochłonność  wykonania  obwodów  drukowanych  sposobami  domowymi  (minimalizacja
kosztów projektu).

Należy zaznaczyć, że projekt jest projektem rozwojowym. Obecnie analizowana jest

możliwość dodania modulacji AM oraz FM, a także zwiększenia zakresu częstotliwościowego
generatora.

Generator finalnie osiągnął podane niżej parametry:

−

generowanie sygnałów: sinus, trójkąt, prostokąt,

−

zakres generowanych częstotliwości od 1Hz do 1MHz z krokiem 1Hz,

−

regulacja amplitudy od -26dB do 19dB,

−

pobór mocy ok. 380mA,

−

sterowanie za pomocą dwóch impulsometrów z przyciskiem,

−

element wskaźnikowy – wyświetlacz LCD 2x16,

−

mikroprocesor sterujący ATmega16/ATmega32.

Projekt był projektem testowym, nie starano się uzyskać jak najwyższych wzmocnień czy

częstotliwości.  Związane  było  to  głównie  z  trudnościami  w  dostępie  do  sprzętu  pomiarowego
jakimi  są  oscyloskopy  z  możliwością  pomiaru  zniekształceń  sygnału.  Istniejący  generator
posiada  programową  możliwość  rozszerzenia  zakresu  częstotliwości,  ale  przy  rosnących
zniekształceniach  sygnałów.  Maksymalna  częstotliwość  1MHz  pozwala  na  uzyskanie  niemal
niezniekształconych  sygnałów  wyjściowych.  Prezentowana  dokumentacja  niestety  jest  uboga
pod  względem  szczegółowych  parametrów,  jak  już  wcześniej  wspomniano  z  powodu  braku
dostępu do nowoczesnego sprzętu laboratoryjnego.

Więcej na stronie:

http://elektron.pol.lublin.pl/users/elekp/prace_dypl/Chmiel/index.htm

Generator oparto o cyfrowy generator AD9833 oraz cyfrowy wzmacniacz AD8321. Nad

całością czuwa mikrokontroler ATmega16. Poniżej znajduje się schemat urządzenia podzielony
na bloki funkcjonalne.

Blok mikrokontrolera

Jak widać mikrokontroler ATmega16 (obudowa TQFP) taktowany jest z częstotliwością

8MHz.  Port  B  oprócz  funkcji  komunikacji/programowania  SPI  pełni  również  funkcję
wskaźnikową  –  PB0  oraz  PB1  to  wyjścia  dla  diod  LED.  Port  D  został  niewykorzystany.  Po
przeanalizowaniu możliwości zastosowania komunikacji z komputerem wydało to się bezcelowe
i  nie  zostało  zrealizowane.  Port  C  obsługuje  wyświetlacz  LCD  ze  standardowym  sterownikiem
HD44780,  zaś  port  A  odpowiada  w  całości  za  obsługę  przycisków  oraz  cyfrowych  enkoderów
firmy ALPS.

Blok generatora kwarcowego

Zastosowany generator to ECS-100X generujący sygnał zegarowy o częstotliwości

25.175MHz i potrzebny jest dla generatora sygnałów AD9833.

Blok generatora sygnałów

Jak widać na schemacie zastosowano zworki mające na celu pomóc w uruchamianiu całości.

Układ AD9833 komunikuje się z otoczeniem za pomocą trzech linii interfejsu SPI. Wejście
MCLK to wejście dla generatora kwarcowego.

Blok programowalnego wzmacniacza

Sygnał z mikrokontrolera poprzez SPI trafia do układu generatora AD9833 a następnie do

wzmacniacza AD8321. Wzmacniacz ten również jest sterowany poprzez SPI przez
mikrokontroler (ustawianie wzmocnienia z zakresu -26dB do 26dB). Należy zaznaczyć iż
wzmacniacz ten zawiera szerokie pole wzmocnienia. Zasilanie AD8321 to 9V. AD_OUT oznacza
wyjście z wzmacniacza to ostatniego bloku formowania sygnału.

Blok wyjściowy

Niestety blok ten jest bardzo ubogi i głównym jego celem jest zapewnienie wyjściowej

rezystancji 50Ω. W przyszłości planuje się wprowadzenie tutaj wtórnika emiterowego
zabezpieczającego cały układ.

Blok zasilania

Blok zasilania ma za zadanie dostarczać napięcia: +5V i +9V.

Poniżej prezentowana jest zaprojektowana płytka drukowana dla schematu

Wymiary płytki to 84x67mm. Płytka została zaprojektowana jako dwustronna, z

przelotkami, zalana polygonem podłączonym do masy. Maksymalna ilość elementów otrzymała
obudowy do montażu powierzchniowego.

Płytka z generatorem AD9833 została wykonana osobno. Podziękowania w tym miejscu dla

Mirka Hałata

, który zaprojektował i dostarczył płytkę wraz z wlutowanym układem AD9833.

Pierwszy wykonany generator wymagał pewnych zmian w schemacie oraz na płytce PCB. Po

uwzględnieniu tych zmian generator działa bez zarzutów i jest oparty o schemat
zaprezentowany powyżej.

UWAGA: Generator pobiera około 300mA, dlatego należy zaopatrzyć się w odpowiednie

zasilanie oraz zamontować radiator na układzie AD8321.

Oprogramowanie stworzono w języku ANSI C w środowisku WinAVR. Kluczowa jest

obsługa układu AD9833, która wymagała przestudiowania dokumentacji układu. Jeśli chodzi o
układ AD8321 to jego sterowanie za pomocą SPI jest bardzo proste. Poniżej prezentowane są
funkcje obsługi układu generatora.

[1]

Pierwszy fragment kodu zawiera inicjalizację komunikacji SPI pomiędzy mikrokontrolerem a

układami Analog Devices. Należy pamiętać, że najpierw trzeba ustawić port B a dopiero potem
inicjalizować SPI.

[2]

Procedura w zależności od układu do którego ma wysłać dane realizuje to w różny sposób.

Układ AD9833 potrzebuje ramki 16 bitowej zaś AD8321 8 bitowej.

[3]

Powyżej widoczna funkcja mająca na celu ustawienie zadanej częstotliwości generowanego

sygnału.

[4]

Widoczne powyżej są dwie funkcje odpowiedzialne za ustawienie wzmocnienia oraz

ustawienie rodzaju generowanego sygnału. W funkcji set_gain wartość wysyłana przez SPI jest
liczona według zależności podanych w dokumentacji układu AD8321.

[5]

Funkcja powyżej ma na celu wyzerować generator AD9833 i przygotować do wykonania

jakiejś operacji.

Na podstawie zaprezentowanych funkcji można bardzo prosto stworzyć kompletne

oprogramowanie dla generatora DDS i takie też stworzono, ale jego kod źródłowy nie będzie
publikowany.

Zaprojektowany generator w wersji prototypowej posiada tylko dwa pokrętła umożliwiające

odpowiednie  ustawianie  sygnału,  gniazdo  wyjściowe  BNC,  gniazdo  zasilania  oraz  przełącznik
ON/OFF.  Pokrętła  to  cyfrowe  impulsatory  firmy  ALPS  z  możliwością  ‘wcisku’.  Dzięki  takim
dwóm  dodatkowym  przyciskom  nie  trzeba  było  montować  dodatkowych  i  wyprowadzenie
mikrokontrolera PA6 i PA7 zostały nie podłączone.

Program generatora pozwala na ustawienie częstotliwości od 1Hz do 1MHz z krokiem

wybieranym poprzez wciśnięcie pokrętła FSTEP. Wzmocnienie wybierane jest drugim
pokrętłem GAIN, zaś przycisk wbudowany w to pokrętło umożliwia zmianę kształtu sygnału.

Ze względu na brak sprzętu pomiarowego nie są prezentowane szczegółowe dane

techniczne, ale za to prezentowane są zdjęcia mogące służyć jako pewien jakościowy sposób
oceny generowanych sygnałów.

Poniżej widoczne są zdjęcia różnych generowanych sygnałów dla przypadków

częstotliwościowych 100kHz i 1MHz przy maksymalnym wzmocnieniu 19dB.

uwaga: rysunki dla różnych podstaw czasu

W trakcie testów generatora okazało się, że fala sinusoidalna wygląda dobrze do 5MHz,

trójkątna  do 3MHz, zaś  prostokątna  powyżej  1MHz  zaczyna  odbiegać  od  właściwego  kształtu.
Jednak  nie chcąc  komplikować sposobu  sterowania  oraz  parametrów  generatora  założono, że
maksymalna  generowana  częstotliwość  generatora,  będzie  częstotliwością  dającą  optymalne
parametry pracy i ustalono ją na 1MHz.

Poniżej prezentowane są zdjęcia wykonanego prototypowego generatora DDS.

Projekt miał za zadanie stworzyć tani, łatwy w obsłudze generator kilku przebiegów. Cel ten

został osiągnięty. Dodatkowo stworzono generator sterowany mikrokontrolerowo, zaś
komunikacja z użytkownikiem odbywa się za pomocą dwóch pokręteł oraz wyświetlacza LCD.
Koszt wykonania całego urządzenia to około 70zł.

Projekt jest projektem rozwojowym. Generowane częstotliwości można zwiększać poprzez

zmianę generatora kwarcowego, zmianę programu sterującego lub poprzez wymianę
cyfrowego generatora AD9833 na przykład na AD9834. W przyszłości planuje się rozszerzyć
możliwości generowanych sygnałów o modulację AM oraz FM.

zaprojektował i wykonał

Cezary Klimasz