Generátor funkcí DDS 3.0

Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
Generátor funkcí DDS 3.0
Úvod
Zakoupili jste sadu součástek pro výrobu profesionálního přístroje. Při dodržení
následujícího návodu Vám bude přístroj fungovat na první zapojení a sloužit
mnoho let.
Popis
Jedná se o přístroj vytvářející napěťový signál se sinusovým, trojúhelníkovým a
obdélníkovým (TTL) průběhem o nastavitelné frekvenci a amplitudě.
První výstup 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.
Dodavatel
Martin Olejár, www.elweb.cz
Bezpečnostní upozornění
Přístroj uchovávejte mimo dosah dětí, mohly by se poranit. Při likvidaci odpadu postupujte dle
platných předpisů. Nedodržením pokynů a návodu k sestavení zaniká nárok na záruku a rovněž
zaniká i zodpovědnost dodavatele za případné škody tímto přístrojem způsobené. Dbejte na to, i
když tuto sadu předáte dál jiné osobě. Uschovejte proto tento návod k obsluze k pozdějšímu
nahlédnutí! Provoz sestavené sady je povolen jen v suchých vnitřních prostorách a mimo dosah
hořlavých látek. Zacházejte opatrně s produktem – prostřednictvím nárazů, úderů, vysokých
teplot, kontaktu s tekutinami nebo pádu by se mohl poškodit. Všechny obsažené firemní názvy a
označení produktů jsou výrobními značkami příslušných vlastníků. Všechna práva jsou vyhrazena.
Nejedná se o finální výrobek, ale o sadu součástek určenou k výrobě přístroje. Výrobcem není
dodavatel, ale osoba, která sadu sestaví a vloží do přístrojové krabičky. V případě objednání služby
zakázkového sestavení stavebnice u dodavatele, tento pouze osadí elektronické součástky a
konstrukční prvky do plošného spoje a zkontroluje funkčnost – dodává tedy funkční modul a
případně zvlášť i přístrojovou krabičku. Výrobcem se stává osoba, která tento modul vloží do
přístrojové krabičky (vlastní nebo dodané dodavatelem), nikoli dodavatel. Dodavatel není v žádném
případě výrobcem. Na tento návod a sadu součástek s ním souvisejících se vztahují autorská práva
v plném rozsahu.
[email protected] , www.elweb.cz
-1-
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
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
Odstup
2.harmonické složky
Procentuelní zastoupení
2.harmonické složky
1Hz až 80kHz
100kHz
500kHz
1MHz
60
57
42
37
0,1 %
0,14 %
0,8 %
1,4 %
dB
dB
dB
dB
Minimální odstup signál-šum
sledované frekvenční
pásmo
Odstup signál šum
Procentuelní zastoupení
šumu
1Hz až 1GHz
62 dB
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
výstupní frekvence
typicky
10Hz až 1MHz
1Hz až 10Hz
maximálně
0,4 %
3%
Rozsah výstupní amplitudy
0 až 1,1V (±0,07V) při zátěži 50 Ω
Výstupní impedance
50 Ω (±0,5 Ω)
[email protected] , www.elweb.cz
-2-
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
DIGITÁLNÍ VÝSTUP
Maximální délka náběžné/sestupné hrany
100ns
Výstupní impedance
600 Ω (±60 Ω)
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.
[email protected] , www.elweb.cz
-3-
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
Obsah sady
(dále také stavebnice)
Stavebnice je dodávána jako kompletní sada obsahující všechny potřebné
součástky a konstrukční díly, hlavní desku plošných spojů, desku plošných spojů
pro modul s tlačítky, modul LCD displeje, vyfrézovanou a upravenou plastovou
krabičkou, napájecí adaptér a samozřejmě také tento návod k sestavení.
Schéma zapojení
Kompletní schéma naleznete na konci tohoto návodu.
hlavní část
Srdcem přístroje je 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 OZ (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
[email protected] , www.elweb.cz
-4-
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
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 cínu dva
vývody – viz dále.
Program
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 internetových stránkách dodavatele www.elweb.cz
[email protected] , www.elweb.cz
-5-
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
Plošný spoj
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.
Deska plošných spojů je vyrobena jako dvojvrstvá s prokovy v provedení HAL s
nepájivou maskou v páté třídě přesnosti.
Bez potřebných znalostí v žádném případě nedoporučuji pokoušet se o návrh
vlastního plošného spoje.
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
[email protected] , www.elweb.cz
-6-
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
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.
Pokud chcete, aby byla podsvícena i tlačítka, propojte kapkou pájky dva vývody
tlačítek, jak je znázorněno na následujícím obrázku.
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
[email protected] , www.elweb.cz
-7-
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
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.
[email protected] , www.elweb.cz
-8-
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
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.
[email protected] , www.elweb.cz
-9-
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
Umístění do přístrojové krabičky
Přístrojová krabička je standardně dodávána spolu se stavebnicí. Na předvrtaný
černý panel nalepte přístrojový štítek a pak do jeho otvorů přišroubujte vypínač
a konektor pro napájecí napětí. Osu potenciometru seřízněte pilkou na železo na
správnou délku. Na osu potenciometru připevněte přístrojový knoflík. Oba černé
plastové panely vložte do horní části krabičky otočené "vzhůru nohama" tak, aby
byl černý panel s otvory na straně s dírou pro potenciometr. 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. Mezi
distanční sloupky a desku vložte pérové podložky. Pomocí kabelů propojte
napájecí konektor, vypínač. Přístroj vyzkoušejte a pokud vše funguje, zacvakněte
spodní část krabičky.
Opětovné otevření krabičky
Tlakem ze strany vymáčkněte "zobáček" na jedné straně v části u tlačítek. Do
vzniklé mezery vložte plochý šroubovák a na stejné straně krabičky pak
vymáčkněte i druhý zobáček v místě u LCD displeje. Zobáčky na druhé straně
nevycvakávejte, ale krabičku rozevřete. Při nedodržení tohoto postupu se může
krabička poškodit.
V případě jakýchkoli dotazů týkajících se sestavení této stavebnice mne můžete
kontaktovat na e-mailové adrese [email protected]
[email protected] , www.elweb.cz
- 10 -
Generátor DDS 3.0 - návod
[email protected] , www.elweb.cz
Martin Olejár
- 11 -
Generátor DDS 3.0 - návod
[email protected] , www.elweb.cz
Martin Olejár
- 12 -
Generátor DDS 3.0 - návod
Martin Olejár
Seznam součástek kompletní stavebnice
součástka
typ
parametry
označení
kondenzátor
SMD1206
10nF
C11
kondenzátor
kondenzátor
SMD1206
SMD tantal
47nF
1uF/10V
C1,C2,C3,C6,C7,C8,C9,C10,C14,C15,C16,C18,C20,C21,C22,C23
C13
kondenzátor
kondenzátor
fóliový
elektrolyt
1uF
C12
100uF/10V C17,C19
1
2
kondenzátor
rezistor
elektrolyt
SMD1206
1000uF/16V C4,C5
18
R3
2
1
rezistor
rezistor
SMD1206
SMD1206
100
R18,R21,R101,R102
330 až 620 R13,R16,R19
2
3
rezistor
rezistor
rezistor
rezistor
rezistor
rezistor
odporový trimr
potenciometr
rezistorová síť
pojistka
dioda
dioda
integrovaný obvod
integrovaný obvod
integrovaný obvod
integrovaný obvod
integrovaný obvod
integrovaný obvod
integrovaný obvod
integrovaný obvod
krystalový oscilátor
LCD
konektor
konektor
konektor
konektor
vypínač
tlačítko
tlačítko
DPS
DPS
plastová krabička
štítek
šroub
matice
silikonová podložka
adaptér
SMD1206
SMD1206
SMD1206
SMD1206
SMD1206
SMD1206
PIHER 10mm
kovový
SIL5
polyswitch
1N4007
1N4148
7805T
7905T
7805L
7905L
AD9833
AD8561
OPA2134
PIC16F73
SG8002JC
MC1602E-SBL/H
lišta jednořadá
lišta jednořadá
BNC do DPS
napájecí
P-KNX2
P-PB61413L
P-PB61413L
dvojstranná
jednostranná
vyfrézovaná
samolepící
M3
M3
T220
MW0910AC
1k2
3k3
6k8
47k
68k
470k
1k2
1k
22k
0,5A
1A
6
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
4
1
1
1
1
1
3
1
1
1
1A
1A
100mA
100mA
naprog.
naprog.
7 pinů
16 pinů
ks
1
R6,R8,R9,R11,R15,R20
R12
R2
R17
R14
R10
R1
R22
R7
R4,R5
D1,D2
D3,D4
IC1,IC9
IC7
IC5
IC4
IC3
IC8
IC6
IC2
Q1
PC1602
SL2 (SL1) (osazujte dále od kraje desky)
PC1602
BNC1,BNC2
2 póly
šipka
TL101,TL102,TL103,TL104
OK
TL105
HAL,maska
pájivý lak
šedá
černý
10mm
9V AC, 1A
[email protected] , www.elweb.cz
- 13 -
16
1