Laboratorinis signalų generatorius su DDS

Parengė Andrius Vaičeliūnas (red. pastaba: kalba netaisyta).
Хлюпин Н. Лабораторный генератор сигналов на DDS. – Радио, 2009, № 8, с. 15–17.

Sinusoidinės įtampos generatorius – vienas iš būtiniausių prietaisų bet kokioje laboratorijoje. Tačiau pramoninės gamybos generatoriai yra didelių gabaritų, masės ir pakankamai brangūs. Savadarbiai analoginiai generatoriai yra sudėtingos konstrukcijos ir neužtikrina išėjimo signalo dažnio didelio tikslumo ir stabilumo. Straipsnyje aprašoma generatoriaus konstrukcija, realizuota su tiesioginės skaitmeninės sintezės (DDS – direct digital synthesizer) mikroschema, neturinčia minėtų trūkumų.

Pasirodžius tiesioginės sintezės mikroschemoms, atsirado galimybė sukonstruoti laboratorinį sinusoidinės formos signalų generatorių, turintį pakankamai aukštus parametrus, esant palyginti paprastai schemai ir konstrukcijai. Šio generatoriaus nominalus dažnių diapazonas – 0,1 Hz...6 MHz su galimybe praplėsti viršutinę ribą iki 11 MHz. Maksimali signalo amplitudė – 7 V, esant 50 Ω apkrovai.

Generatoriaus schema parodyta 1 pav. Jo pagrindas – mikroschema AD9832BRU (DD2). Ji pasirinkta dėl to, kad tai yra viena pigiausių DDS mikroschemų. Sinusoidinis signalas formuojamas ant 14 mikroschemos DD2 išvado. Pasyvus žemų dažnių filtras L1L2C8C9C10 su 10 MHz pjūvio dažniu filtruoja signalo spektrą. Kadangi mikroschema DD2 dirba su vienpoliu maitinimu, būtina „pritempti“ prie nulio vidurinę jos generuojamo signalo reikšmę. Tai atlieka plačiajuostis diferencialinis stiprintuvas AD8130AR (DA2). Signalo lygio poslinkio įtampa paduodama nuo rezistorinio daliklio R4R15 į DA2 aštuntą išvadą, o įėjimo signalas – į mikroschemos pirmą išvadą. Tame pačiame stiprintuve realizuotas aktyvus antros eilės žemų dažnių filtras su 10 MHz pjūvio dažniu ir perdavimo koeficientu 2.

Nuo DA2 išėjimo simetriškas nulinio lygio atžvilgiu signalas patenka į amplitudės reguliatorių R14. Įprasto potenciometro, o ne elektroninio ateniuatoriaus naudojimas šioje vietoje paremtas noru supaprastinti ir atpiginti konstrukciją. O ir realiame darbe gerokai patogiau sukioti rankenėlę nei daug kartų spausti mygtukus.

Nuo potenciometro R14 šliaužiklio signalas paduodamas į mikroschemos DA3 įėjimą tolimesniam stiprinimui. Stiprintuvo perdavimo koeficientas nustatytas rezistorių R21 ir R22 nominalų santykiu grįžtamojo ryšio grandinėje. Į mikroschemos DA3 ketvirtą išvadą paduodama įtampa nuo potenciometro R17 šliaužiklio išėjimo signalo pastovios dedamosios pareguliavimui nuo -5 V iki +5 V ribose. Sujungus jungiklio SA1 kontaktus galima operatyviai padaryti signalą simetriniu nulio atžvilgiu.

Nemaloni diferencialinių stiprintuvų AD8130AR ypatybė – polinkis užgeneruoti, dirbant su talpine apkrova. Šiam efektui pašalinti į stiprintuvo DA3 išėjimo grandinę nuosekliai įjungtas rezistorius R25. Jis, žinoma, sumažina signalo amplitudę ant mažos varžos apkrovos, tačiau su tuo mėgėjiškomis sąlygomis pilnai galima taikstytis. Juk žemadažnės aparatūros įėjimo varža retai būna žemiau kelių šimtų omų.

Nors stiprintuvo AD8130AR išėjimo srovė gali siekti 40 mA, tačiau ilgas darbas tokiame režime mikroschemą perkaitina ir sugadina. Papildomas apsauginis rezistorius R26 apriboja išėjimo srovę iki saugios reikšmės net ilgą laiką esant užtrumpintam išėjimui. Dirbant su mažos varžos apkrova šį rezistorių galima užtrumpinti jungikliu SA2. Mikroschemų DA2 ir DA3 darbo patikimumas taip pat padidintas sumažinus jų maitinimo įtampas iki +9 V ir -9 V, kai leistina reikšmė yra +12,6 V ir -12,6 V.

DDS mikroschemos darbą valdo mikrovaldiklis DD1. Prie jo pajungtas skystųjų kristalų indikatorius HG1 (dvi eilutės po 16 simbolių, vidinis valdiklis HD44780). Apatinėje indikatoriaus eilutėje 0,1 Hz tikslumu atvaizduojama nustatyta signalo dažnio reikšmė generatoriaus išėjime. Ji nustatoma SB1–SB4 mygtukais. Pirmiausia, nuspaudžiant mygtukus SB3 ir SB4, žymeklis pervedamas į vieną iš ekrane vaizduojamų skaičių. Skaičiaus reikšmė (0,1 Hz; 1 Hz; 10 Hz ir t. t. iki 1 MHz) reiškia žingsnį, kuriuo keisis dažnis, laikant nuspaustą mygtuką SB1 arba SB2. Viršutinėje indikatoriaus eilutėje išvedama generuojamo signalo periodo reikšmė – mikrosekundėmis, jeigu dažnis mažesnis už 300 Hz, arba nanosekundėmis, jeigu didesnis.

Generatoriaus maitinimo bloko schema parodyta 2 pav. Jo išėjimo įtampos +5 V, +9 V ir -9 V stabilizuotos atitinkamai mikroschemomis DA4-DA6. Rezistorius R27 apriboja srovę indikatoriaus HG1 ekrano pašvietimo grandinėje. Ši grandinė pajungta prie minusinio lygintuvo išvado stengiantis tolygiau paskirstyti apkrovą tarp išvadų.

DDS mikroschemos generuojamo signalo dažnis F randamas pagal formulę

Kur F_MCLK – taktinis dažnis, dPhase – 32 skilčių dažnio kodas. F ir F_CMLK reikšmės išreikštos tais pačiais vienetais, tarkim hercais. Kadangi dPhase gali būti tik lyginis skaičius, esant 25 MHz taktiniam dažniui generuojamo dažnio nustatymo diskretiškumas gaunamas apie 0,006 Hz.

Programa, užkrauta į mikrovaldiklį DD1, remdamasi nustatytu dažniu išskaičiuoja dPhase kodą ir įkrauna jį į mikroschemą DD2. Po to, pagal šią reikšmę apskaičiuoja ir išveda į indikatorių generuojamo signalo periodą. Dėl aukščiau aprašyto diskretiškumo, esant mažesniam nei 10 Hz dažniui, rezultatas gali pastebimai skirtis nuo gautojo pagal formulę T=1/F.

Priešingai paplitusiai nuomonei apie PIC mikrovaldiklių komandų sistemos primityvumą ir netobulumą, dviejų kilobaitų vidinę atmintį ir 35 komandas, to pilnai pakanka atlikti visus skaičiavimus be kokių nors supaprastinimų ir apvalinimų. Todėl dažnio nustatymo tikslumą lemia tik DDS mikroschemos vidinių registrų skiltiškumas, o taip pat integrinio kvarcinio generatoriaus G1 dažnio tikslumas ir stabilumas.

Mikrovaldiklis DD1 sukonfigūruotas dirbti su vidiniu taktiniu RC generatoriumi su išorine dažnį nustatančia grandine. Taktinis dažnis turi būti lygus 4 MHz. Ji galima patikrinti ant 15 mikrovaldiklio išvado, o esant reikalui, pakoreguoti parenkant elementus R3 ir C3. Prietaiso išėjimo dažnio nustatymo tikslumo neįtakoja mikrovaldiklio taktinio dažnio nuokrypis nuo nominalo.

Jeigu apytikriai 3 s laikotarpyje nenuspaudžiamas nė vienas iš mygtukų SB1–SB4, mikrovaldiklis pereina į miego režimą, dėl to sustoja ir jo taktinis generatorius. Tačiau DDS mikroschema tęsia darbą, signalas prietaiso išėjime lieka koks buvęs, o skystųjų kristalų indikatorius rodo jo dažnį. Paspaudus bet kurį mygtuką mikrovaldiklio darbas atsinaujina.

Generatoriuje galima naudoti kaip pasenusį, tačiau plačiai paplitusį mikrovaldiklį PIC16F84A, taip ir naujesnį, turintį tokį pat išvadų skaičių ir jų paskirtį PIC16F628. Pastarąjam pirmenybė, kadangi jame yra įmontuotas 4 MHz taktinis generatorius, kuriam nereikia išorinių elementų. Taip kad rezistorius R3 ir kondensatorius C3 šiuo atveju nereikalingi, mikrovaldiklio 16 išvadas paliekamas nepajungtas. Prie straipsnio pateikiamos programos abiejų tipų mikrovaldikliams. Įtampos sumažėjimo detektorius DA1 pajungtas netradiciškai – ne prie mikrovaldiklio pradinio nustatymo įėjimo, o prie programos pertraukimo užklausos įėjimo INT (RB0). Pirmuoju atveju, kaip taisyklė, pilnam mikrovaldiklio įtampos sumažinimo įtaiso išjungimui vykdoma pertraukties apdirbimo paprogramė, įrašanti į EEPROM esamą dažnio reikšmę. Sekantį kartą įjungus generatorių dažnis bus atstatytas. Detektorius PST529C gali būti pakeistas kitu, kurio suveikimo įtampa 4,3...4,7 V, pavyzdžiui, tėvyniniu КР1171СП47.

Skystųjų kristalų indikatorius MT16S2Q-2YLG šiuo metu nebegaminamas, gamintojas rekomenduoja jį pakeisti į MT16S2R-2YLG. Naudojant kitus analogiškus indikatorius (pavyzdžiui, WH-1602) gali prireikti atjungti 3 indikatoriaus išvadą nuo bendro laidininko ir 10 kOm varžos paderinamu rezistoriu pakoreguoti įtampą ant jo 0...+5 V ribose, kad išgauti geriausią vaizdo kontrastą.

6 µH induktyvumo rites L1 ir L2 galima suvynioti 0,15...0,2 mm diametro laidu ПЭВ-2 ant feritinių žiedų su 100...400 pradine magnetine skvarba ir 5...7 mm išoriniu diametru. Vijų skaičių geriau parinkti eksperimentiškai su induktyvumo matuokliu arba pasiekiant lygiagretaus kontūro, sudaryto iš ritės ir 51 pF talpos kondensatoriaus, rezonansą maždaug 10 MHz dažnyje. Droselis L3 – ДМ-0,1. Kai kurie rezistoriai sumontuoti tiesiogiai ant potenciometrų išvadų, mygtukų ir jungiklių, išdėstytų ant generatoriaus korpuso dangčio.

Transformatorius T1 turi išduoti 2x12 V įtampą esant 100 mA srovei. Potenciometras R14 – СП5-20ВБ. Padidinti jo nominalą iki daugiau kaip 1,5 kOm nereikia, nes tokiu atveju išėjimo signalo amplitudė labai priklauso nuo dažnio.

Generatoriaus derinimas tėra simetrinės nulio atžvilgiu sinusoidinės įtampos nustatymas paderinamu rezistoriumi R4 ant potenciometro R14 viršutiniojo pagal schemą išvado. Esant reikalui maksimalią signalo amplitudę generatoriaus išėjime galima pakeisti parenkant rezistorių R21, o jos pastovios dedamosios reguliavimo ribas – parenkant rezistorių R19.

Teoriškai maksimalus DDS generuojamas dažnis lygus pusei taktinio dažnio. Praktikoje aukščiau ¼ taktinio dažnio prasideda žymus signalo amplitudės kritimas, kurį kažkokiu tai lygiu galima kompensuoti, padarius sudėtingesnį išėjimo filtrą.

Tačiau generatoriaus derinimas tokiu atveju taip pat žymiai pasunkėja. Aprašytoje konstrukcijoje maksimalus dažnis išrinktas lygus 6 MHz. Tačiau atsižvelgiant į tai, kad radiomėgėjai mėgsta realizuoti savo prietaisų galimybes maksimaliai, mikrovaldiklio programa leidžia nustatyti ir 11 MHz dažnį, bet išėjimo signalo amplitudė ir forma tokiu atveju negarantuojama.

• Programos abiejų tipų mikrovaldikliams ir spausdintinės plokštės failas (programa „Sprint Layout 5.0“)