Выбор и обоснование элементной базы

 

Основной частью генератора является модуль прямого цифрового синтеза. В данной работе используется готовый модуль DDS на базе микросхемы AD9833. AD9833 – это микросхема с высокой степенью интеграции. При работе от опорного тактового сигнала AD9833 обеспечивает аналоговый выходной синусоидальный сигнал с программируемой частотой и фазой. Этот сигнал может быть преобразован внутри компонента в прямоугольную волну. Микросхема имеет 28-разрядные регистры частоты, что дает разрешение установки выходной частоты 0,1 Гц при опорной тактовой частоте 25 МГц. Аналогичным образом, при тактовой частоте 1 МГц AD9833 может быть настроен на разрешение 0,004 Гц Архитектура AD9833 позволяет выводить сигналы с частотой до половины опорной частоты (до 40 МГц).

Основные характеристики микросхемы AD9833:

- Цифровое программирование частоты и фазы;

- Потребляемая мощность 12.65 мВт при напряжении 3 В;

- Диапазон выходных частот от 0 МГц до 12 МГц;

- Разрешение 28 бит (0.1 Гц при частоте опорного сигнала 25 МГц);

- Трехпроводной интерфейс SPI;

- Синусоидальные, треугольные и прямоугольные выходные колебания;

- Напряжение питания от 2.3 В до 5.5 В;

- Расширенный температурный диапазон: от –40°C до +105°C;

- Функция пониженного энергопотребления;

В данной работе используется готовый модуль на базе микросхемы AD9833. Модуль имеет все необходимые разводки для работы микросхемы, включая кварцевый резонатор опорной тактовой частоты. Внешний вид и название выводов модуля изображено на рис.2 Назначение выводов представлено в таблице 1.

Рис.2. Назначение выводовDDS модуля AD9833

 

Табл. 1.

 Назначение выводов модуля DDS

Вывод модуля	Назначение
VCC	Плюс питания для цифровых и аналоговых цепей генератора
DGND	Земля
SDATA	Вход данных интерфейса SPI. Передача осуществляется 16-битными словами.
SCLK	Вход тактового сигнала SPI. Используется второй режим работы: (CPOL = 1, CPHA = 0).
FSYNC	Frequency Update. По переднему фронту импульса на данном входе AD9833 обновляет частоту (или фазу) в соответствии с полученной 40-битной последовательностью
OUT	Выход генератора
REF	Тактовый выход 25MHz

 

Для установки частоты на AD9833 необходимо применять не значение этой частоты, а специальное контрольное число, рассчитываемое по следующей формуле:

                                                                                                    (1)

где  - управляющее число;  – частота, какую хотим установить;  – тактовая частота 25МГц.

 

Для удобства настройки значение текущей частоты выходного сигнала и текущего шага изменения частоты должны отображаться на символьном индикаторе. В качестве такого дисплея используется жидкокристаллический дисплей 16х4 (LCD) (четыре строки по 16 символов) с контроллером HD44780. HD44780 — контроллер монохромных жидкокристаллических знакосинтезирующих дисплеев с 4-битным или 8-битным параллельным интерфейсом (в данной работе для экономии свободных выводов микроконтроллера используется 4-битный интерфейс). Каждое знакоместо на дисплее представляет собой матрицу размером 5x8 точек. Также можно загрузить несколько пользовательских символов в первые 8 ячеек CGRAM. Как правило, знакогенератор содержит символы латинского алфавита и одного из национальных алфавитов. Пример таблицы символов приведен в Приложении 3.Назначение выводов LCD модуля представлено в таблице3. Управляющие последовательности представлены в спецификации [10] и подробно рассмотрены в литературе [8].

Управление модулем DDS AD9833 и ЖК-дисплеем, а также установка нужной частоты осуществляется с помощью микроконтроллера.Подобный метод управления подробно представлен в научной литературе [1,5,7,8,9].

Согласно техническому заданию в данной работе должен использоваться восьмиразрядный микроконтроллер с тактовой частотой от 8 до 16 МГц, с памятью программ не менее 16 кБайт и с напряжением питания. Микроконтроллер ATmega328P идеально соответствует этим требованиям.

 

Табл.2.

 Назначение выводов символьного LCD модуля

Название вывода	Функциональное назначение
VCC	Напряжение питания
К	Катод светодиода
А	Анод светодиода
RS	Выбор записи команды/данные
V0	Напряжение управления контрастностью
GND	Земля
DB0	Младший бит для 8-битного интерфейса	Шина данных
DB1
DB2
DB3
DB4	Младший бит для 4-битного интерфейса
DB5
DB6
DB7	Старший бит для 8 и 4-битного интерфейса
R/W	Выбор направления передачи данных запись/чтение
E	Вход тактовых импульсов (по спаду)

 

ATmega328P– это 8-ми разрядный CMOS микроконтроллер семейства AVR. Он обладает следующими характеристиками:

- 32 кбайт Flash (память программ);

- 2 кбайт ОЗУ;

- 1 кбайт EEPROM (постоянная память данных);

- Два 8-битных таймера/счетчика с модулями сравнения и делителями частоты;

- 16-битный таймер/счетчик с модулем сравнения и делителем частоты, а также с режимом записи;

- 6-канальный ЦАП;

- Программируемый последовательный порт USART;

- Последовательный интерфейс SPI;

- Интерфейс I2C;

- Программируемый сторожевой таймер с отдельным внутренним генератором;

- Внутренняя схема сравнения напряжений;

- Блок обработки прерываний и пробуждения при изменении напряжений на выводах микроконтроллера;

- Напряжения питания и скорость процессора:

- 1.8 — 5.5 В при частоте до 4 МГц

- 2.7 — 5.5 В при частоте до 10 МГц

- 4.5 — 5.5 В при частоте до 20 МГц

Рис.3. Назначение выводов ATmega328P.

Назначение выводов ATmega328P показано на рисунке 3. Выбор именно этого микроконтроллера обусловлен большим объемом Flash-памяти, а также доступностью и распространенностью данной модели (в том числе в популярной платформе Arduino). В данной работе используется тактовая частота 8 МГц.

Принципиальная схема

 

Выходы микроконтроллера распределены следующим образом: порт C, за исключением выхода PC6, предназначен для управления дисплеем; весь портыPB0-PB1 предназначены для параллельной передачи команд на AD9833; порт PD0-PD1 также предназначены для AD9833, а выводы PD2-PD5 предназначены для приема управляющего сигнала от кнопок. Назначение контактов ATmega328P показано на рисунке 4. Контакты PC0-PC5, PB0-PB1 и PD0-PD1 настроены как выходы, контакты PD2-PD5 настроены как входы.

Рис.4. Распределение выводов микроконтроллера

Блок перестройки частоты состоит из четырех кнопок, подключенных к выводам PD2-PD5 микроконтроллера. Схема подключения представлена ​​на рис. 5

Кнопка срабатывает при подаче на вход микроконтроллера сигнала низкого уровня (логического нуля). Диоды используются для разделения кнопок питания. Последовательность выводов и назначения кнопок, следующая: PD2 - добавление шага к текущей частоте, PD3 - вычитание шага из текущей частоты, PD4 - увеличение шага в 10 раз, PD5 - уменьшение шага в 10 раз.

Рис.5. Схема подключения управляющих кнопок

Модуль DDS AD9833 выдает аналоговый синусоидальный сигнал, сдвинутый вверх на 0,65 В и с фиксированной амплитудой 1 В. Из него необходимо вычесть постоянную составляющую, а полученный сигнал усилить, а коэффициент усиления должен регулироваться. За это отвечает блок управления выходом. Его схема показана на рис.6.

Рис.6. Блок регулировки выходного сигнала

Блок состоит из двух схем операционного усилителя: дифференциального усилителя и неинвертирующего усилителя. Дифференциальный усилитель вычитает постоянную составляющую из сигнала, а неинвертирующий усилитель усиливает ее. В этом случае коэффициент усиления рассчитывается по формуле (2), а благодаря переменному резистору мы можем регулировать этот коэффициент.

     (2)

Ко всем блокам генератора необходимо подавать питание. По техническому заданию оно должно быть 5 В. Также для работы ОУ требуется двухполярное питание. Блок питания отвечает за преобразование сетевого напряжения в постоянное требуемой величины. Его схема представлена на рис.7.

Рис.7. Схема блока питания

Напряжение сети 220В снижается с помощью понижающих трансформаторов. Далее идет диодный мост. Он используется для преобразования синусоидального переменного тока в пульсирующий. Кроме того, этот пульсирующий ток окончательно выпрямляется с помощью конденсаторов.

Управляющая программа

 

Программа микроконтроллера написана в среде разработки CodeVisionAVR. Полный текст программы находится в Приложении 1. После запуска генератора задаются начальные значения частоты и шага настройки, их значения отображаются на экране. Далее следует бесконечный цикл, в котором поочередно контролируется нажатие кнопок регулировки частоты. Если кнопка нажата, частота или шаг изменятся соответствующим образом, и их обновленные значения будут отображаться на экране.