Вимірювальні генератори, в яких необхідне значення частоти встановлюють з допомогою клавіатури, читачам журналу відомі (див, наприклад, статтю Пискаева А. "Частотомір-генератор-годинник" в "Радіо", 2002, № 7, с. 31, 32). Як правило, ці прилади виконані на мікроконтролері, діапазон частот генеруються обмежений кількома мегагерцами, а отримання точного значення частоти неможливо. Описуваний у статті генератор теж містить мікроконтролер, але використаний він тільки для управління спеціалізованої мікросхемою - синтезатором частоти AD9850. Застосування цієї мікросхеми дозволило розширити діапазон частот генеруються від часток герца до 60 МГц, в межах якого можна отримати будь-яке значення частоти з точністю 1 Гц.
Пропонований генератор виконаний на базі мікросхеми AD9850 фірми Analog Devices, являє собою повний DDS (Direct Digital Synthesis) синтезатор частоти з вбудованим компаратором. Такі синтезатори унікальні своєю точністю, практично не схильні до температурного дрейфу і старіння (єдиним елементом, який володіє властивою аналогових пристроїв нестабільністю, є цифроаналоговий перетворювач). Завдяки високим технічним характеристиками DDS синтезатори останнім часом витісняють звичайні аналогові синтезатори частоти. Їх основна перевага - дуже висока роздільна здатність по частоті і фазі, управління якими здійснюється в цифровому вигляді. Цифровий інтерфейс дозволяє легко реалізувати мікроконтроллерной управління. З більш детальним описом принципів прямого цифрового синтезу частоти можна познайомитися, наприклад, в [1].
Структурна схема синтезатора AD9850 зображена на рис, 1.
Його основа - акумулятор фази, формує код миттєвої фази вихідного сигналу. Цей код перетворюється в цифрове значення синусоїдального сигналу, який з допомогою ЦАП перетворюється в аналоговий і піддається фільтрації. Компаратор дозволяє отримати вихідний сигнал прямокутної форми. Його частота fout (у герцах) визначається формулою fout = Δfin/232, де fin - тактова частота, Гц; Δ - 32-бітне значення коду частоти. Максимальне значення не fout може перевершувати половини тактової частоти.
Основні технічні характеристики AD9850 (при напрузі живлення 5 В)
- Частота тактового генератора, МГц......1 125...
- Максимальний споживаний струм (при fin = 125 МГц), мА......96
- Число розрядів ЦАП......10
- Максимальний вихідний струм ЦАП (при Rset = 3,9 кОм), мА ...10,24
- Максимальна інтегральна нелінійність ЦАП, МЗР......1
- Напруга на виході компаратора, В:
- мінімальне високого рівня 4,8 ...
- максимальна низького рівня ...0,4
Для завантаження даних в мікросхемі AD9850 передбачені паралельний і послідовний інтерфейси. В останньому випадку дані (слово довжиною 40 біт) вводять через її вхід D7. Кожен біт даних супроводжують імпульсом позитивної полярності на вході синхронізації W_CLK. Після завантаження керуючого слова імпульсу позитивної полярності на вході FQ_UD відбувається заміна параметрів генерації новими. Призначення бітів керуючого слова наведено в табл. 1.
Принципова схема генератора зображена на рис. 2. Керує синтезатором DD2 мікроконтролер DD1.
Він опитує клавіатуру SB1-SB16, виводить інформацію на ЖК індикатор HG1, обчислює значення коду частоти і передає його по послідовному інтерфейсу в синтезатор DD2. Звукоизлучатель НА1 служить для підтвердження натискання кнопок клавіатури. Мікросхема AD9850 (DD2) використана в стандартному включення [2]. На вихід її ЦАПа включений фільтр Z1. Після фільтра сигнал синусоїдальної форми подається на гніздо XW2 і на вхід компаратора мікросхеми DD2 (вивід 16). З виходу останнього сигнал прямокутної форми надходить на гніздо XW1. В якості тактового генератора для DDS застосований кварцовий генератор G1. Підлаштування резистором R7 регулюють контрастність зображення на індикаторі HG1.
Після скидання мікроконтролера проводиться настройка РК індикатора HG1 на режим обміну по шині 4 біта, що необхідно для зменшення кількості ліній вводу/виводу, необхідних для запису інформації.
Керують генератором за допомогою клавіатури, яка складається з кнопок SB1-SB16. Оскільки всі лінії порту, що є вхідними, підключені до джерела живлення через резистори, необхідності в зовнішніх резисторах, "підтягуються" порти RB4-RB7 до лінії живлення, немає. Резистори R3-R6 захищають виходи мікроконтролера від перевантаження при випадковому натисканні декількох кнопок одночасно.
Необхідну частоту встановлюють з клавіатури. Для цього, натискаючи на кнопки відповідними цифрами, вводять потрібне значення (у герцах) і натискають кнопку "*". Якщо частота не перевищує максимально допустимої, на індикаторі на короткий час з'являється повідомлення "OK" і генератор переходить в робочий режим, а якщо перевищує, - повідомлення "Error". У цьому випадку треба натиснути кнопку "С" ("Скидання") і заново набрати правильне значення. Точно так само роблять і при помилці в процесі введення частоти. Дворазове натискання цієї кнопки переводить прилад у робочий режим з встановленими раніше значенням частоти.
У робочому режимі В крайньому правому знакоместе індикатор блимає символ зірочки. Якщо поточне значення частоти введено з зовнішнього блоку управління (наприклад, з комп'ютера), то щоб повернутися до частоти, яка відображається на індикаторі, досить натиснути кнопку "*".
Кнопки "U" (Up - вгору) і "D" (Down - вниз) дозволяють ступінчасто змінювати вихідну частоту генератора, відповідно збільшуючи або зменшуючи значення десяткового розряду на одиницю. Необхідний десятковий розряд вибирають, переміщаючи курсор кнопками "L" (Left - вліво) і "R" (Right - вправо).
При натисканні кнопки "*" значення частоти і позиція курсору зберігаються енергонезалежній пам'яті мікроконтролера, завдяки чому при наступному включенні живлення перерваний режим роботи автоматично відновлюється.
Оскільки обчислювальні здібності мікроконтролера обмежені, значення вихідний частоти виставляється з точністю близько 1 Гц, що достатньо для більшості випадків. Щоб повною мірою реалізувати можливості синтезатора, їм можна керувати за допомогою ПК. Для цього генератор необхідно доопрацювати, доповнивши його вузлом, схема якого показана на рис. 3. ПК (або інше керуюче пристрій) підключають до розетки XS1. При низькому логічному рівні на адресних входах А мультиплексори мікросхеми DD3 підключають входи управління синтезатором до мікроконтролера DD1, а при високому - до зовнішнього пристрою. Сигнали управління надходять через контакт "ENABLE" розетки XS1. Резистор R19 забезпечує низький логічний рівень на адресних входах DD3 при непідключеному пристрої управління.
Генератор зібраний і випробуваний на макетній платі. Якщо не вдасться придбати плату під корпус SSOP для мікросхеми DD2, можна використовувати для підключення її висновків до відповідних контактним майданчикам короткі (довжиною 10...15 мм) відрізки лудженого дроту діаметром 0,2 мм. Висновки 1,2,5,10,19, 24, 26,27, 28 з'єднують із загальним проводом одним відрізком більшої довжини.
ЖК індикатор HG1 - ITM1601 (16-символьний однорядковий з вбудованим контролером). НА1 -будь п'єзоелектричний випромінювач звуку з вбудованим генератором, розрахований на напругу 5 Ст. як тактового генератора (G1) можна використовувати микросборку кварцового генератора на частоту до 125 МГц, допустимо застосування подібного вузла з кварцовою стабілізацією і на дискретних елементи.
Керуюча програма мікроконтролера залежить від частоти тактового генератора.
"Прошивки" для найбільш поширених значень
Коди програми для генератора з частотою 32 МГц наведені у табл. 2.
(натисніть для збільшення)
При програмуванні мікроконтролера в конфігураційному слові встановлюють наступні значення бітів: тип генератора (OSC) - RC, сторожовий таймер (WDT) - вимкнено, затримка після включення живлення (PWRTE) - дозволена.
Література
Автор: С. Кулешов, р. Курган