GENERÁTOR FUNKCÍ DDS 3.0

Stavebnice ani hotové moduly již bohužel nejsou a nadále nebudou v prodeji. Nyní jsou v prodeji hotové generátory naší výroby do 23 MHz s AM, FM, FSK, PSK a PWM modulacemi. Více informací na stránkách www.sigenol.cz.

Abstrakt

Jedná se o přístroj vytvářející napěťový signál se sinusovým, trojúhelníkovým a obdélníkovým (TTL) průběhem o nastavitelné frekvenci a amplitudě.

Popis

Přístroj má dva výstupy. První je analogový. Dle nastavení zde může být průběh napětí buď sinusový nebo trojúhelníkový. Výstupní impedance je 50Ω. Druhý výstup je digitální, jeho úrovně odpovídají TTL standardu a výstupní impedance je 600Ω. Frekvence i fáze jsou shodné pro oba výstupy. Frekvenci lze regulovat od 1Hz do 1MHz s krokem 1Hz. Amplituda analogového signálu je plynule nastavitelná v rozsahu 0 až 1V při 50Ω zátěži (4V p-p bez zátěže). Napájení přístroje je realizováno přiloženým adaptérem 9V AC.

Parametry přístroje

ANALOGOVÝ VÝSTUP

Minimální odstup druhé harmonické složky v dB a její procentuelní zastoupení
(Třetí a ostatní harmonické složky výstupního signálu jsou oproti druhé harmonické zanedbatelné.)

výstupní frekvence	Odstup2.harmonické složky	Procentuelní zastoupení2.harmonické složky
1Hz až 80kHz	60 dB	0,1 %
100kHz	57 dB	0,14 %
500kHz	42 dB	0,8 %
1MHz	37 dB	1,4 %

Minimální odstup signál-šum

sledované frekvenční pásmo: 1Hz až 1GHz
Odstup signál šum: 62 dB
Procentuelní zastoupeníšumu: 0,08%

Maximální odchylka nastavené a reálné frekvence

výstupní frekvence / typicky / maximálně
1Hz až 1MHz / 10ppm (0,001%) / 50ppm (0,005%)

Maximální odchylka amplitudy v závislosti na výstupní frekvenci

10Hz až 1MHz: 0,4 %
1Hz až 10Hz: 3 %

Rozsah výstupní amplitudy
0 až 1,1V (±0,07V) při zátěži 50 Ohm

Výstupní impedance
50 Ohm (±0,5 Ohm)

DIGITÁLNÍ VÝSTUP

Maximální délka náběžné/sestupné hrany
100ns

Výstupní impedance
600 Ohm (±60 Ohm)

OSTATNÍ

Napájecí napětí
Standardně 9V AC / 220mA, adaptér (230V / 9V AC, 1A) je součástí kompletní stavebnice.
Modul lze napájet také stejnosměrným symetrickým napětím v rozsahu 2x 8V až 2x 13V.
Hmotnost
230g

Rozměry
Vnější rozměry krabičky: 95 x 135 x 45mm
Se započtením přístrojového knoflíku a BNC konektorů: 95 x 140 x 50mm

Poznámka: Parametry přístroje byly změřeny ve spolupráci s katedrou měření fakulty elektrotechnické ČVUT.

Přímá digitální syntéza

Používá se také zkratka DDS z anglického Direct Digital Synthesis. Jedná se o vytváření analogového signálu s použitím digitálních obvodů a D/A převodníku. V případě obvodu AD9833 firmy Analog Devices je zmíněným analogovým signálem napětí o sinusovém nebo trojúhelníkovém průběhu. Hlavní částí obvodu je tzv. fázový akumulátor (PHASE ACUMULATOR), který s každým hodinovým cyklem aktualizuje fázi výstupního signálu. V každém tomto cyklu je k aktuální hodnotě fáze přičtena hodnota uložená ve frekvenčním registru (FREQ0 REG nebo FREQ1 REG), tato hodnota bývá označována jako Dj. Akumulátor fáze a frekvenční registr tvoří digitálně řízený oscilátor. Při změně hodnot ve frekvenčním registru (při změně výstupní frekvence) se mění fázový signál a tím i průběh výstupního napětí vždy spojitě. Výstupní frekvence je pak dána vztahem: f=(Dj.fMCLK)/2n, kde fMCLK je hodinová frekvence a n je počet bitů fázového akumulátoru – v tomto případě 28. Jednotlivým bodům fáze odpovídají jednotlivé adresy v paměti ROM, která obsahuje konkrétní hodnoty funkce sinus pro D/A převodník. Obvod AD9833 umožňuje pomocí multiplexeru (MUX) přemostit ROM paměť s tabulkou hodnot a na vstup D/A převodníku tak připojit přímo výstup fázového akumulátoru – tím pak na výstupu vznikne napětí s trojúhelníkovým průběhem.

Schéma zapojení

hlavní část
Srdcem přístroje je již zmíněný integrovaný obvod přímé digitální syntézy (DDS) firmy Analog Devices s označením AD9833 (IC3). Tento obvod je řízen mikrokontrolérem PIC16F73 (IC2) po třívodičovém sériovém vedení (vývody RA2,RA3,RA5). Hodinový signál pro DDS i pro mikrokontrolér je zajištěn společným přesným krystalovým generátorem obdélníkového signálu se zabudovanou programovatelnou děličku kmitočtu, fázovým závěsem a pamětí PROM (Q1). K mikrokontroléru jsou dále připojeny periferie pro komunikaci s uživatelem. Těmi jsou LCD displej 2x16 znaků pro zobrazení nastavené frekvence a typu výstupního signálu (vývody RC5,RC6,RC7,RB0 až RB7) a také klávesnice složená z pěti tlačítek (vývody RC0 až RC4). Trimr (R1) slouží pro nastavení kontrastu LCD displeje.

výstupní obvody
Z výstupního signálu obvodu AD9833 (vývod 10) je pomocí RC členu (R10,C12) oddělena stejnosměrná složka. Poté je signál zesílen pomocí precizního operačního zesilovače OPA2134 (IC6A) v zapojení neinvertujícího zesilovače. Z jeho výstupu je signál přiveden na vstup komparátoru a také na dráhu potenciometru (R22) regulujícího amplitudu napětí na analogovém výstupu. Na jezdec potenciometru je připojen vstup dalšího neinvertujícího zesilovače (IC6B) jehož výstup vede přes výstupní 50Ω odpor (R18,R21) na BNC konektor (analogový výstup). Jako komparátor je použit velmi rychlý obvod AD8561 (IC8), u kterého je pomocí rezistorů (R14,R15,R17,R20) nastavena hystereze, korigován fázový posun a střída výstupního signálu. Jeho výstup je přiveden opět přes výstupní odpor (R19) na druhý BNC konektor (digitální výstup).

Napájecí obvody
Napájení přístroje je (především z bezpečnostních důvodů) realizováno běžně prodávaným adaptérem s výstupním střídavým napětím o efektivní hodnotě 9V. Deska plošných spojů je však přizpůsobena i pro případné napájení symetrickým stejnosměrným napětím +/- 8V až +/- 14V. Pro větší bezpečnost je obvod opatřen dvěma proudovými vratnými pojistkami (R4,R5). Diody (D1,D2) chrání proti přepólování zdroje v případě napájení symetrickým stejnosměrným napětím a v případě napájení dodávaným adaptérem (tedy střídavým napětím), slouží pro jednocestné usměrnění. Napětí je pak filtrováno pomocí kondenzátorů (C4,C5) s dostatečnou kapacitou. V celém zapojení se nachází celkem pět integrovaných stabilizátorů typu 78**/79**. Ty zajišťují napájecí symetrické stejnosměrné napětí +/- 5V zvlášť pro analogovou (IC9,IC7) a zvlášť pro digitální část (IC5,IC4). Pátý stabilizátor (IC1) napájí mikrokontrolér, krystalový generátor a LCD displej. Operační zesilovač (IC6) vyžaduje pro správnou funkci filtrační elektrolytické kondenzátory v těsné blízkosti u svého pouzdra, tedy již na výstupu stabilizátorů. Proto jsou stabilizátory pro analogovou část (IC9,IC7) opatřeny ochrannými diodami (D4,D3). Všechny integrované obvody jsou opatřeny blokovacími kondenzátory o hodnotě 47nF.

Modul s tlačítky
Tlačítka jsou osazena na samostatné desce, na které jsou propojena s konektorem SL2. LED diody jejich podsvícení jsou paralelně propojeny a opatřeny paralelní kombinací odporů (R101,R102) omezujících proud.

Pro svit LED diod je nutné na této desce plošných spojů propojit kapkou pájky dva vývody – viz dále.

Program
Poznámka: Mikrokontrolér PIC je dodáván naprogramovaný příslušným programem. Nelze tedy použít mikrokontrolér zakoupený běžně v obchodě. To samé platí i pro krystalový oscilátor. Obě tyto součástky lze zakoupit naprogramované samostatně na e-mailu martin(zavináč)olejar.cz

Program mikrokontroléru řídí integrovaný obvod přímé digitální syntézy, nastavuje tedy především výše zmíněný frekvenční registr v obvodu AD9833 na hodnotu odpovídající nastavené frekvenci. Ovládá také LCD modul a sleduje signály z klávesnice. Hlavní část programu funguje přibližně takto: Šesti dekadickým číslicím zobrazeným na LCD displeji odpovídá šest registrů paměti RAM v mikrokontroléru. Tyto číslice reprezentují hodnotu výstupní frekvence v Hz. V dolním řádku displeje se pohybuje kurzor pomocí tlačítek vlevo/vpravo. Po stisknutí tlačítka nahoru/dolu se zvýší respektive sníží o jedničku registr odpovídající kurzorem zvolené číslici a tím i tato číslice na LCD. Program po každé změně kontroluje přetečení (nad 9) nebo podtečení (pod 0) daného registru a případně upraví i číslice ostatních řádů čísla. Dále se pak postará o skrytí bezvýznamných nul. Při podržení tlačítka nahoru/dolu probíhá čítání vybrané číslice cyklicky a tím k postupnému lineárnímu zvyšování celého čísla. Při současném podržení tlačítka OK je toto čítání rychlejší. Při každé změně čísla program rovněž převede číslo z dekadické soustavy do soustavy dvojkové a upraví jej. Pak toto číslo ve dvojkové soustavě uloží po sériovém vedení do frekvenčního registru obvodu AD9833. Výběr tvaru výstupního signálu je řešen rovněž tlačítky nahoru/dolu při umístění kurzoru zcela vpravo.

Plošný spoj
Poznámka: Obrazce plošných spojů pro výrobu zde neuvádím, protože se jedná o desku s prokovy v páté třídě přesnosti. Obě desky plošných spojů si však můžete objednat na emailu martin(zavináč)olejar.cz
Hlavní deska je rozdělena na digitální a analogovou část, které jsou navzájem odděleny tzv. izolačním příkopem. Obě části jsou z jedné strany desky pokryty plochou rozlité země a to tak, aby tato plocha téměř nebyla přerušena jinými vodiči. Analogová a digitální zem je propojena pod obvodem digitální syntézy a k přemostění izolačního příkopu dochází pouze v jeho těsné blízkosti. Klíčové je rovněž rozmístění blokačních kondenzátorů, kterých je na plošném spoji celkem téměř dvacet. Hlavní deska je vyrobena jako dvojvrstvá s prokovy v provedení HAL s nepájivou maskou v páté třídě přesnosti. Druhá deska je pouze jednostranná a slouží pro osazení tlačítek klávesnice.
Bez potřebných znalostí nedoporučuji pokoušet se o návrh vlastního plošného spoje. Integrovaný obvod přímé digitální syntézy je na kvalitu návrhu velmi citlivý.



Pájení SMD součástek
SMD součástky můžete nejprve přilepit speciálním (ale stačí i obyčejné vteřinové) lepidlem k povrchu desky a jejich vývody poté připájet. Jinou možností je také nanést si malé množství pájky na jedenu z pájecích plošek, přiložit součástku pinzetou a mikropájkou jeden příslušný vývod součástky připájet. Může se ale stát, že bude v takovém případě součástka mírně nadzvednutá nad plošným spojem. Je ji tedy třeba lehce přitlačit shora pinzetou a za stálého tlaku znovu zahřát tento jeden vývod. Pak už stačí jen zapájet všechny ostatní vývody stejně jako v předchozím případě. Případné slití pájky mezi dvěma vývody integrovaného obvodu nejlépe odstraníte odsávačkou. Pájecí plošky vodivě spojené s rozlitou mědí je třeba zahřívat déle. Přestože jsou s plochou propojeny jen čtyřmi tenkými vodiči (tzv. termické plošky), snadněji se z nich odvádí teplo do okolní plochy. Kvůli RoHS (direktiva zakazující použití nebezpečných látek v elektronice) nemohu doporučit pájení klasickou trubičkovou PbSn pájkou, ale přesto mi nezbývá než konstatovat, že je pro pájení vhodnější než její bezolovnaté "náhražky". V každém případě však používejte při pájení vhodné a pro danou pájku určené tavidlo. Tavidlo obsažené v trubičkové pájce může být postačující, ale není dobré se spoléhat jen na něj.

Osazení desky
Deska je standardně dodávána již se zapájeným a elektricky zkontrolovaným integrovaným obvodem digitální syntézy (IC3). Pájení v jeho blízkosti věnujte vyšší pozornost. Jeho vývody již páječkou nezahřívejte.

Všechny součástky (SMD i klasické) jsou umístěny pouze z jedné strany desky. Vyjímku tvoří pouze LCD displej a modul klávesnice. V zapojení jsou z větší části použity součástky SMD pro povrchovou montáž. K jejich osazování doporučuji používat k tomu určenou pinzetu, mikropájku s vhodným hrotem a v neposlední řadě také dobré osvětlení a to nejlépe z obou stran. Pokud Váš zrak není zrovna nejlepší, je vhodné použít také stolní (nebo jinou) lupu.

Nejprve osaďte všechny kondenzátory a rezistory v SMD pouzdru velikosti 1206. Součástky umístěné pod integrovanými odvody (IC2,IC6) musí být v každém případě zapájeny (a raději i elektricky zkontrolovány) před osazením zmíněných integrovaných obvodů. To samé platí i pro rezistor (R2) pod trimrem (R1). Pokračovat můžete osazením všech integrovaných obvodů, diod, trimru a elektrických vratných pojistek. Elektrolytické kondenzátory, konektory a potenciometr osaďte až nakonec. Mikrokontrolér (IC2) můžete osadit do patice, ale není to nutné. Naopak operační zesilovač (IC6) pájejte přímo, patici zde v žádném případě nepoužívejte. Stabilizátory analogové části (IC7,IC9) jsou umístěny vertikálně. Stabilizátor (IC1) pro napájení mikrokontroléru, generátoru a LCD je umístěn horizontálně. Mezi něj a desku plošných spojů vložte silikonovou izolační podložku a přišroubujte jej přiloženým šroubkem a matkou M3. Bez této izolační podložky by mohlo dojít ke zkratu mezi kovovou částí pouzdra stabilizátoru a spoji pod ním. Nepájivá maska není plnohodnotnou elektrickou izolací. Vývody potenciometru zohýbejte kleštěmi směrem k jeho ose pod úhlem 90° a jeho krajní vývody lehce rozevřete směrem od sebe. K ohýbání nepoužívejte příliš velikou sílu, abyste potenciometr nepoškodili. Poté jej provlečte skrz díru v desce plošných spojů tak, aby jeho tělo bylo ze strany součástek a osa ze strany opačné. Potenciometr nejprve dotáhněte maticí a až poté připájejte jeho vývody k pájecím ploškám na desce. Nikdy nepostupujte v opačném pořadí, mohlo by to vést k poškození desky. Přes kovové tělo potenciometru přetáhněte tenký neizolovaný drátek, který nejprve připájíte do příslušných prokovů v plošném spoji (vodivě spojených s plochou analogové země) a poté i k tělu potenciometru.

Konektory pro připojení klávesnice a LCD displeje jsou osazeny z druhé strany desky než ostatní součástky. Tyto konektory připájejte nejprve do hlavní desky plošných spojů a až po vyzkoušení a odměření optimální vzdálenosti mezi touto deskou a moduly (LCD a klávesnice) v přístrojové krabičce na ně připájejte do správné výšky tyto moduly. V případě montáže do jiné krabičky můžete oba moduly propojit pomocí plochých kabelů. Při rozteči kablíků 1,27mm lze využít pouze každý druhý vodič.

UPOZORNĚNÍ: Dbejte na polaritu diod, elektrolitických kondenzátorů a na orientaci umístění integrovaných obvodů. Stejně tak i na hodnoty jednotlivých součástek a jejich umístění. I zde platí pravidlo "Dvakrát měř jednou řež". Opravování chyb způsobených nepozorností nemusí být vždy úplně jednoduché.

Uvedení do provozu, návod k použití
Při dodržení tohoto návodu bude zařízení fungovat na první zapojení. Jediným regulačním prvkem v celém zapojení je trimr pro nastavení kontrastu LCD displeje. Ten můžete nastavit do střední polohy, ale LCD displej bude čitelný v jakékoli jeho poloze.
Obrázek znázorňující připojení napájecího napětí Připojte k příslušným pájecím ploškám napájecí napětí dle obrázku. Standardní zapojení ukazuje horní z obrázků, kde je použito k napájení dodávaného adaptéru. Přístroj lze však napájet i stejnosměrným symetrickým napájecím napětím – viz dolní obrázek.
Po připojení napájecího napětí a sepnutí vypínače (pokud je zapojen) by se mělo rozsvítit podsvícení LCD displeje a případně i tlačítek. Na LCD displeji by se měl zobrazit úvodní text "Generátor funkcí 1MHz elweb.cz" (nebo obdobný) a po chvilce nápis "Hz -----" (nebo obdobný).

Pokud tomu tak není:
Zkontrolujte prstem teplotu proudových vratných pojistek. Pokud je vyšší než cca 40°C, máte na plošném spoji někde vyzkratované napájecí napětí.
Zkontrolujte voltmetrem napájecí napětí na výstupech jednotlivých stabilizátorů, případně i na vývodech jednotlivých integrovaných obvodů.
Nastavte pomocí tlačítek výstupní frekvenci například 100Hz sinus. Šipky vlevo/vpravo slouží pro posun kurzoru, šipky nahoru/dolů pak ke změně hodnot. Měnit lze jakoukoli číslici v čísle udávajícím výstupní frekvenci. Při podržení šipky nahoru/dolů přístroj plynule zvyšuje/snižuje frekvenci. Při podržení tlačítka OK probíhá čítání rychleji. Pro rychlejší čítání frekvence stiskňete a držte šipku (nahoru/dolů), pak stiskněte a držte tlačítko OK (čítání se zrychlí), pusťte tlačítko OK (čítání se opět zpomalí) a až nakonec pusťte i šipku. Regulace amplitudy je zajištěna potenciometrem v horní části přístroje - ten nastavte do krajní pravé polohy (maximum).
Pomocí osciloskopu ověřte signál na analogovém a pak i na digitálním výstupu. Pokud nemáte k dispozici osciloskop, ověřte (při frekvenci 100Hz) efektivní hodnotu střídavého napětí na výstupech a pak i stejnosměrné napětí na výstupech. Na analogovém výstupu by měl být sinusový průběh napětí o amplitudě 2V (4V p-p). Na digitálním pak obdélníkový průběh odpovídající logickým úrovním TTL. V případě měření voltmetrem by mělo být stejnosměrné napětí na analogovém výstupu nulové a na digitálním výstupu přibližně 2V. Efektivní hodnota střídavého napětí na analogovém výstupu by se měla pohybovat kolem 1,4V. Na digitálním by měla být také přibližně mezi 1V a 2V (záleží na typu voltmetru a jeho frekvenčním rozsahu).
Pokud tomu tak není, zkuste osciloskopem (nebo alespoň voltmetrem) ověřit signál přímo na výstupu AD9833 respektive na vývodech fóliového kondenzátoru C12. Zde by měl být sinusový nebo trojúhelníkový signál nastavené frekvence s amplitudou přibližně 300mV se stejnosměrnou složkou také přibližně 300mV.

Umístění do přístrojové krabičky

Celé zařízení je navrženo tak, aby se snadno umístilo do plastové krabičky „KG B15“, kterou lze zakoupit v jedné nejmenované pražské prodejně součástek – Googlem ji najdete. Přístroj lze ale také velmi snadno umístit i do jiné přístrojové krabičky. Oba moduly (LCD displej a klávesnice), které by měly být na čelním panelu, lze totiž připojit k hlavní desce pomocí plochých kabelů.
Doporučená přístrojová krabička je standardně dodávána spolu se stavebnicí a to s vyfrézovanými otvory pro tlačítka, LCD a potenciometr přesnou CNC frézou. Stavebnice rovněž obsahuje i přístrojový samolepící štítek. Do černého horního panelu přišroubujte vypínač a konektor pro napájecí napětí. Osu potenciometru seřízněte pilkou na železo na správnou délku. Oba panely vložte do horní části krabičky (otočené "vzhůru nohama") tak, aby byl panel s otvory na straně s dírou pro potenciometr. Na osu potenciometru připevněte přístrojový knoflík. Potom od sebe lehce odtáhněte strany horního dílu krabičky a vložte do ní hotový a odzkoušený modul. LCD modul zapadne do zářezů ve stěnách krabičky. BNC konektory prostrčte skrz příslušné otvory v černém panelu. Pak přišroubujte desku s tlačítky pomocí dvou přiložených M3 šroubků do distančních sloupků, které jsou součástí krabičky. Mezi distanční sloupky a desku vložte pérové podložky. Pomocí kabelů propojte napájecí konektor, vypínač a desku podle následujícího schématu. Přístroj vyzkoušejte a pokud vše funguje, zacvakněte spodní část krabičky.

Stavebnice


obrázek/schéma ve formátu gif
fotografie/obrázek ve formátu jpg
fotografie/obrázek ve formátu jpg