Precyzyjny generator sygnału AM-FM DDS

W Internecie dostępnych jest wiele tanich generatorów sygnału, ale ich dokładność pozostawia wiele do życzenia. Zdecydowałem więc, że jeśli chcę mieć maksymalny błąd 0,1 Hz przy 10 MHz, co byłoby idealne, będę musiał sam zaprojektować taki generator.

Pierwszą decyzją, jaką musiałem podjąć, był wygląd urządzenia. Będzie to decydowało o rodzaju potrzebnej obudowy, wyświetlacza i elementów sterujących. W zależności od sytuacji na rynku komponentów, wybór tych elementów może być trudny. Nie da się uciec od faktu, że większość zaawansowanych podzespołów jest dostępna tylko w obudowach do montażu powierzchniowego, często z bardzo małym rastrem wyprowadzeń.

W przypadku generatora sygnału niezbędne jest dobre ekranowanie. Sygnał ma być przesyłany przez złącze wyjściowe, a przy tym nie wypromieniowywany z samego urządzenia. Z tego powodu wybrałem odlewaną aluminiową obudowę z minimalną liczbą otworów, które należy wyciąć. Największy z nich jest przeznaczony na wyświetlacz, a dzięki zastosowaniu małego modułu OLED, wyciek RF jest znacznie ograniczony.

Następnie musiałem zdecydować, czy użyć gotowych modułów, czy pojedynczych elementów. Weźmy układ AD9851 firmy Analog Devices generujący sygnał. Jest on dostępny w postaci gotowego modułu z własnym generatorem przebiegu zegarowego i filtrem wyjściowym.

Z generatorami jest kilka problemów, począwszy od modułu 30 MHz oscylatora kwarcowego, który jest standardowym, tanim elementem „z półki”. Dokładność i stabilność temperaturowa są wątpliwe i nie spełniają moich kryteriów projektowych.

Owszem, taki generator można usunąć i połączyć przewodowo dokładny oscylator kwarcowy z kompensacją temperatury (TCXO). Znalazłby się on na płycie głównej. Zastosowanie modulacji amplitudy wymaga dostępu do pinu RSET układu AD9851, co oznacza kolejne połączenie przewodowe z płytą główną.

Typ wyjścia, którego chcę użyć, wymaga transformatora szerokopasmowego sterowanego z dwóch pinów układu DDS, a jest to już zbyt trudne i zdecydowało o ostatecznym odrzuceniu gotowego modułu.

Najtańsze moduły Arduino najczęściej wykorzystują układ ATMega328 taktowany zegarem o częstotliwości 16 MHz. Wszystkie piny I/O są wyprowadzone, więc nie ma potrzeby wprowadzania zmian. Jednak w przypadku mojego projektu liczba pinów dostępnych w ATmega328 jest niewystarczająca, więc konieczne byłoby zastosowanie jakiegoś sprytnego układu współdzielenia pinów.

Ponadto do zastosowania modulacji częstotliwości konieczne jest intensywne przetwarzanie, a prędkość zegara 16 MHz jest do tego zbyt mała. Zamiast tego używam więc 44-pinowego ATmega644. Zapewnia to więcej niż wystarczającą liczbę pinów I/O i mogę skonfigurować go tak, aby działał z częstotliwością 20 MHz, co daje 25% wzrost mocy obliczeniowej.

Wyświetlacz musi przekazywać wiele informacji, ale duży ekran jest wykluczony ze względu na potrzebę małego wycięcia, aby zapewnić niski wyciek sygnałów pasma radiowego (RF). Dlatego wybrałem OLED o przekątnej 0,96 cala (24 mm). Ma on wprawdzie dość małe znaki, ale wyświetla za to wszystkie potrzebne informacje.

Eliminując gotowe moduły, ostateczny rozmiar płytki drukowanej (a tym samym wymaganej obudowy) jest znacznie mniejszy. Obudowy odlewane ciśnieniowo są drogie, więc użycie mniejszych sprawia, że koszt jest znacznie mniejszy.

Ostatnim potrzebnym głównym elementem jest inny układ DDS, AD9833. Występuje on tylko w niewielkiej 10-pinowej obudowie MSOP, ale jest dostępny w małym, gotowym do użycia module. Kusiło mnie, aby użyć takiego modułu w moim projekcie i mógłbym go zamontować, ale nie chciałem, aby w urządzeniu działał jeszcze jeden oscylator (moduł ma wbudowany oscylator 25 MHz).

Używam więc układu w postaci samodzielnego elementu. Jego źródło zegara 20 MHz pochodzi z pinu wyjściowego zegara procesora ATmega644.

Wybór elementów

Biorąc pod uwagę sytuację na rynku komponentów elektronicznych, zwróciłem szczególną uwagę na możliwość pozyskiwania elementów od kilku dostawców. Układ DDS AD9851 jest dostępny na przykład na AliExpress za około 14 USD (około 20 USD z dostawą). Układ DDS AD9833 jest również dostępny za około 3,50 USD (5 USD) u wielu sprzedawców na AliExpress.

Jeśli chcesz trzymać się bardziej renomowanego dostawcy, Digi-Key ma AD9851 za 56,76 USD i AD9833 za 14,95 USD.

Układ ATmega644 to już inna sprawa. Udało mi się znaleźć tylko jednego dostawcę na AliExpress, który pobierał 2,05 USD za sztukę plus 5,26 USD za wysyłkę, co daje w sumie około 11 USD. Podobnie udało mi się znaleźć tylko jednego dostawcę w serwisie eBay z absurdalnie wysoką ceną. Ale Silicon Chip będzie miał te chipy wstępnie zaprogramowane. Gdziekolwiek je kupisz, upewnij się, że jest to wariant 20 MHz, 44-pinowy TQFP.

TCXO 30 MHz najlepiej kupić na AliExpress, a cena z wysyłką wynosi około 15 USD. Nie znalazłem żadnego odpowiedniego w Mouser, Digi-Key lub element14.

Wyświetlacz OLED ma przekątną 0,96 cala i rozdzielczość 128×64 pikseli ze sterownikiem SSD1306. Wyświetlacz ten znajduje się w ofercie wielu dostawców. Występuje w różnych kolorach. Ten, który posiadam, ma górną ćwiartkę żółtą, a resztę niebieską, co podkreśla ustawioną częstotliwość, ale możesz wybrać dowolną kombinację kolorów.

Potencjometry i enkoder również są elementami standardowymi. Upewnij się, że mają ten sam rozmiar. Odległość od płytki drukowanej do końca wałka powinna wynosić około 25 mm.

Pozostają więc elementy indukcyjne. Transformator wyjściowy jest produkowany przez Coilcraft, a element o kodzie producenta PWB-16-BL daje najlepsze rezultaty.

Dla pozostałych cewek odpowiednie ich chipowe wersje w rozmiarze M3216/1206. Mają one dość dobre tolerancje, znacznie lepsze niż przy próbie nawijania własnych. Przy częstotliwości 85 MHz, filtr dolnoprzepustowy (LPF) dla wyjścia RF wymaga trzech cewek 120 nH. Są one łatwo dostępne w sklepie element14, choć można je również kupić na AliExpress. Zapłaciłem 2,80 USD za 100 sztuk z darmową wysyłką i jakimś cudem dotarły z Chin w ciągu dwóch tygodni.

Reszta komponentów to standardowe rezystory i kondensatory, prawie wszystkie w standardowym rozmiarze M2012/0805 SMD. Przełączniki można kupić w sklepach Jaycar i Altronics, podobnie jak odlewaną obudowę. Pełny wykaz elementów będzie zamieszczony w dalszej części artykułu. 

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz