Функциональный DDS генератор сигналов "OSKAR-DDS"

Автор: Гармаш Геннадий, gennadiy.v@gmail.com
Опубликовано 17.02.2015
Создано при помощи КотоРед.

Все, что нельзя запрограммировать на ассемблере, приходится паять.

Казалось бы существует великое множество любительских генераторов сигналов, бери да повторяй, но не так все просто. Всегда считал что промышленные генераторы закроют все мои потребности, да и лучше они любительских. Но жизнь расставила все по местам, пришлось делать свой, который бы хоть на немного закрыл мои потребности. При всей своей простоте конструкции, его возможностей достаточно для применения радиолюбителями и не только. Выполнен на доступных деталях и прост в настройке.

Теперь кратко о технических характеристиках:

- Габариты п/п 67 *88 *19 мм, разработана специально для установки в корпус Z-19
- Дисплей 2*16 символов , светодиодная подсветка .
- Питание 3,7 - 5 вольт. 3 элемента типа ААА или литиевый аккумулятор или внешнее. Максимальное потребление 40 мА
- Выходное напряжение Vp-p аналоговый выход - 3,3v.
- Частота дискретизации DDS -1,6 МГц.
- Диапазон частот аналоговой части 0-600 кГц
- Встроенные отключаемые фильтра 30 кГц и 300 кГц
- Выходной делитель 1/10 для аналоговой части.
- Управление - энкодер с прогрессивной харракеристикой
- Базовые сигналы -синусоида, прямоугольник, пила прямая и обратная , треугольник, ЭКГ.
- Контроль источника питания, подзарядка аккумулятора, если есть.

Далее все подробно распишем по каждому режиму.

Внешний вид 

Вариант компоновки в корпусе Z-19. Вместо отсека для батареек можно расположить литиевый аккумулятор.
Гнезда для подключения можно расположить на передней панели и клеммы в плату не запаивать.

                Аппаратная часть

Схема генератора выполнена на доступных деталях и проста в настройке.

Скачать в формате sPlan 7.0 можно по ссылке в конце статьи.

Немного подробнее о схеме.
Ядром является микроконтроллер PIC18F26K22 фирмы "MICROCHIP", который собственно и выполняет все функции прибора. Аналоговая часть выполнена на сдвоенном операционном усилителе MCP6022 с полосой единичного усиления 10 МГц , цифровом сдвоенном переменном резисторе MCP41010, сдвоенном ОУ MCP602 и аналоговом коммутаторе.
Сдвоенный переменный резистор используется для регулировки уровня выходного сигнала и регулировки смещения по постоянному току выходного сигнала. Источник опорного напряжения и буфер виртуальной земли (аналоговая земля ) выполнен на MCP602.
ЗАПРЕЩАЕТСЯ соединять цифровую и аналоговую земли!!!
В качестве дисплея использован черно-белый символьный индикатор 2*16 BC1602 или совместимые.
Питание всей схемы выполняется от стабилизированного источника 3,3 вольта (LM2950-3.3). Управление питанием выполнено на транзисторах Т1 и Т2.
Питание аналоговой части, несмотря на применение ОУ Rail-to-Rail, выполнено с изюминкой. На D3 сделано смещение в минус, примерно 0,25V, и в плюс до напряжения питания, как минимум 0,2V (падение на LowDrop LM2950), чем обеспечивается высокое качество сигнала во всем диапазоне амплитуд.
Все элементы установлены на двухсторонней печатной плате с одной стороны, а дисплей с подсветкой, клеммы , кварц, гнездо питания и энкодер с другой. В итоге получается компактная , жесткая конструкция.

Расположение элементов 

Скачать в формате *.lay  можно по ссылке в конце статьи.

Для сборки нам понадобятся:

Питание
Bat1 = 1 x 4-9V Держатель AAA для 3-х 33x51
Конденсаторы
C17 = 1 x 200p
C18 = 1 x 82p
C1,C2,C3,C4,C5,
C8,C9,C10,C13,
C16,C20,C21 = 12 x 0.1
C11,C12 = 2 x 27
C15,C19 = 2 x 1.0
C6,C7 = 2 x 100.0
Кварц
Cr1 = 1 x 20 MHz
Диоды
D1 = 1 x LL4148
D2 = 1 x 5v6
D3 = 1 x SS12
D4 = 1 x BAV99
D5 = 1 x BAT54S
Микросхемы
DA1 = 1 x MCP42010
DA2 = 1 x MCP602
DA3 = 1 x MCP6022
DD = 1 x PIC18F26K22
IC1 = 1 x 74hc4066
ЖКИ
LCD1 = 1 x BC1602(HD44780 и его аналоги)
Резисторы
R2 = 1 x 6k2
R7 = 1 x 220k
R8 = 1 x 11k
R13 = 1 x 910
R14 = 1 x 300
R16 = 1 x 2K
R17 = 1 x 3K
R20 = 1 x 100k
R21 = 1 x 4k7
R23 = 1 x 10K
R27 = 1 x 1
R1,R5 = 2 x 33
R10,R15 = 2 x 22k
R12,R18,R24,
R25,R26 = 5 x 100
R22,R38,R40,
R41,R42,R43,
R44,R45 = 8 x 1k 0,5%
R3,R4,R6,R9,
R11,R19,R28,
R29 = 8 x 10k
R30,R31,R32,
R33,R34,R35,
R36,R37,R39 = 9 x 2k 0,5%
Энкодер
S = 1 x re11ct2
Транзисторы
T1 = 1 x BC807
T4 = 1 x 2N7002
T2,T3 = 2 x BC817
Стабилизатор
VR1 = 1 x lp2950-3.3
Разъем
X1 = 1 x 5mm
Клеммник
126-02P(5.0мм) x5

А также терпение, умение и прямые руки.

      Описание входов и выходов

Итак , клеммы подключения слева на право:

1 - AGND - Аналоговая виртуальная земля. Не соединять с цифровой землей!!!
2 - AUOT 1/10 - Аналоговый выход с делителем 1/10.
3 - AUOT 1/1 - Аналоговый выход. Максимальное напряжение по отношению к аналоговой земле +3,3/-3,3 вольт.
4 - Зарезервирован
5 - Зарезервирован
6 - Зарезервирован
7 - Зарезервирован
8 - Зарезервирован
9 - Зарезервирован
10 - Зарезервирован
На всех выходах включены защитные резисторы 100 Ом.
На всех входах включены защитные резисторы 10 кОм .

       Управление

Все управление сделано одним энкодером. Есть следующие комбинации:
Длинное нажатие (более 1 сек.) Включение и выключение прибора. При выключении запоминаются все настройки и текущий режим. После включения будет в том же месте, с генерацией того же сигнала.
Короткое нажатие - выбор параметра для изменения.
Вращение - смена параметра, отображенного на дисплее. Вправо - увлечение. Влево - уменьшение.
Скорость изменения зависит от скорости вращения, так например в зависимости от скорости вращения изменение частоты может быть и 0,1 Гц и 10000 Гц на один щелчок. Это позволяет оперативно и точно настроить любые параметры и не утомляет оператора.

      Питание

Питание от однополярного источника напряжением от 3,7 до 5 вольт. Превышение 5 вольт приводит к порче прибора.
Внутненее питание от стабилизатора 3,3 вольт.
Допустимо использовать :
- три батарейки по 1,5 вольт ( конструктив рассчитан на установку батарейного отсека 3*ААА.
- Литиевый аккумулятор со схемой защиты , монтажный или от мобильного телефона.
- Внешний источник стабилизированного напряжения 5 вольт/200мА, благо сейчас полно USB зарядок. Если при этом есть встроенный аккумулятор, то он будет заряжаться. Как такового контроллера заряда нет, зарядка идет ограниченным током. По этому следует ограничивать время заряда и не применять аккумуляторы емкостью  менее 900мА/час. Также обязательным условием является схема защиты на самом аккумуляторе. (от мобильных все имеют).
Изолированное питание позволяет применять генератор для устройств под напряжением, в том числе под напряжением сети. Следует проявлять осторожность и меры защиты от поражения электрическим током.

        Частотные характеристики

В генераторе есть два подключаемых активных фильтра НЧ с частотами среза 300 кГц и 20кГц

Частотная характеристика без фильтра (для синусоидального сигнала)

Частотная характеристика с фильтром 300 кГц (для синусоидального сигнала)

Частотная характеристика с фильтром 20 кГц (для синусоидального сигнала)

             Режимы работы

Генератор синусоиды

- Диапазон частот от 0,09 Hz до 600 кГц. Рекомендуется включать соответствуюшие фильтра для качественного сигнала.
- Максимальная амплитуда Vp-p 3.3 вольт. Регулировка 256 шагов
- Смещение по постоянному току +/- 1,65 вольт. Регулировка 256 шагов

Иллюстрации отображения на индикаторе

Выбран режим генератора синусоиды, вращение енкодера - смена режима, нажатие - установки режима.
Стрелочки слево и вправо обозначают что при вращении режим будет изменен.

 Регулировка амплитуды

звездочка и название параметра обозначают, какой именно параметр будет меняться при вращении.

Выбор частоты

Сдвиг по постоянному уровню

Выбран режим установок, вращение енкодера - смена режима, нажатие - установки режима.
Стрелочки слево и вправо обозначают, что при вращении режим будет изменен.

Подключение фильтров. Изменение - вращение.
Фильтры отключены. Подключен фильтр 300 кГц. Подключен фильтр 20кГц

Глобальные настройки - SETUP. Изменение - вращение.

Начальный экран. Настройка контраста дисплея. Вкл/выкл подсветки. Напряжение питания. 

Иллюстрации осциллограмм сигнала с генератора

Синусоида 1000 Гц.

Синусоида 90 кГц без применения фильтров. Видны ступеньки.

Синусоида 90 кГц с фильтром на 300 кГц. Теперь все хорошо

Синусоида 300 кГц с фильтром на 300 кГц. Картинка красивая, незначительно упала амплитуда, согласно АЧХ.

Синусоида 600 кГц с фильтром на 300 кГц. Картинка не очень красивая, упала амплитуда, согласно АЧХ. Для частоты свыше 300к -  нужен нормальный внешний фильтр НЧ с частотой среза 600к.

Синусоида 5 кГц с фильтром на 300 кГц. Сдвиг по постоянному уровню в плюс.

Синусоида 5 кГц с фильтром на 300 кГц. Сдвиг по постоянному уровню в минус.

Генератор прямоугольного, пилообразного, обратного пилообразного, треугольного сигнала.

Диапазон частот от 0,09 Hz до 200 кГц. Рекомендуется отключать фильтра для качественного сигнала.
Все остальные параметры, режимы, управление соответствуют генератору синусоидального сигнала.
Так же доступны все дополнительные режимы и их регулировки.

Иллюстрации отображения на индикаторе

Генератор прямоугольного сигнала

Генератор пилообразного сигнала

Генератор треугольного сигнала

Генератор EKG

Иллюстрации осциллограмм сигнала с генератора

Прямоугольник 5000 Гц.

Пила 5000 Гц.

Обратная пила 5000 Гц.

Треугольник 5000 Гц.

Генератор сигнала ЭКГ.

Диапазон частот от 0,09 Hz до 24 Гц. Рекомендуется подключать фильтр 20 кГц для качественного сигнала.
Настраиваемые параметры: Частота, амплитуда, сдвиг по постоянному уровню.

Осциллограмма

       Калибровка , настройка .

Правильно собранный генератор из исправных деталей необходимой точности не нуждается в настройке.
Что следует проверить
Линейность работы ЦАП на матрице R-2R.
Для этого запустить генератор пилообразного напряжения и проверить линейность наклонного участка. Если видна большая нелинейность то следует применить резисторы R30-R45 более высокого класса точности или подобрать. Для 8-битного ЦАП требуемая точность 0,5%. Но реально подобрать из вдвое большего количества обычных, 5%.
Точность остальных резисторов и конденсаторов ,кроме блокировочных по питанию и переходных достаточна 5%.
Еще замечание, как оказалось 74HC4066 не все одинаково хороши, с микросхемами некоторых фирм наблюдается завал на ВЧ участке. Я стараюсь применять ST.
Теперь осталось только одно, установить в корпус ,по желанию. У меня прижилось в половинке корпуса Z-19 с литиевым аккумулятором и пружинными клеммами.

Файлы:
Разводка ПП
Схема SPL
Прошивка

Все вопросы в Форум.