číslicového syntezátora ad pomocou pcbalu.sk/skola/riadenie_dds.pdf · s 10 bitovým da...

Riadenie priameho číslicového syntezátora AD pomocou PC

Bc. Daniel Valúch máj 1999 1

Obsah: 1. Úvod ............................................................................................. 2

2. Všeobecne o DDS........................................................................ 3 2.1. Princíp priamej číslicovej syntézy .............................................................. 3

2.2. Základné vlastnosti obvodov DDS............................................................. 5

2.3. Spektrum výstupného signálu.................................................................... 6

3. Popis a zapojenie použitého modulu DDS................................. 7 3.1. Schéma zapojenia ..................................................................................... 7

3.2. Doska plošného spoja a osadenie súčiastok ............................................. 7

3.3. Funkcia modulu ......................................................................................... 8

4. Technické parametre.................................................................10

5. Popis funkcií ovládacieho programu .......................................11

6. Použitá literatúra .......................................................................14

7. Prílohy ........................................................................................14



1. Úvod

Cieľom tohoto projektu bolo oboznámiť sa s problematikou a metódami

generovania frekvencie metódou priamej číslicovej syntézy (DDS) a ku DDS

modulu osadeného obvodom AD9850 napísať ovládací program pre PC.

Po pripojení výstupného zosilňovača je možné takýto obvod používať na

experimentálne účely v laboratóriu ako generátor veľmi presných frekvencií

(presnosť je daná len presnosťou referenčného oscilátora), laditeľný v širokom

frekvenčnom rozsahu s veľmi malým ladiacim krokom. V prípade potreby je

možné použiť priamu fázovú moduláciu.

Uplatnenie nájde napríklad pri meraní parametrov náhradnej schémy

kryštálových rezonátorov, obvodoch pre digitálne komunikácie, ako VFO pre

rádiové stanice a veľa ďalších aplikácií.



2. Všeobecne o DDS

2.1. Princíp priamej číslicovej syntézy

So zlepšovaním kmitočtových parametrov číslicových obvodov a digitálno -

analógových prevodníkov sa stávajú cenovo dostupné obvody priamo

generujúce sínusový signál. Jedným z takýchto obvodov je aj nami použitý IO

AD9850 od výrobcu Analog Devices.

Priama číslicová syntéza (DDS) pracuje na princípe digitalizovanej sínusovej

vlny, ktorej jednotlivé body sú vytvorené v takzvanom fázovom akumulátore.

Hodnota fázového kroku ∆ϕ určuje vzťah medzi frekvenciou referenčného

hodinového oscilátora fref a výstupnou frekvenciuo fout. zodpovedajúcou perióde

signálu v radiánoch (2π) podľa nasledujúceho vzťahu:

f fout ref=∆ϕπ2

Príklad funkcie DDS pre hodnoty fout=1/8 fref a ∆ϕ=π/4 je na obrázku:

Jednotlivým bodom na fázovom grafe potom zodpovedajú hodnoty sinϕ

vytvárané tabulkou v pamäti ROM v nasledujúcom bloku DDS, veľmi názorne sa

to dá pochopiť z nasledujúcich blokových schém. Prvá je od výrobcu [3]:



a druhá je prevzatá z literatúry [1]:

32 bitový akumulátor fázy spolu s registrom pre výber frekvencie a registrom

fázového posuvu potom vytvárajú číslicovo riadený oscilátor (NCO). Hlavnou

výhodou takéhoto oscilátora je generovanie spojitého fázového signálu a

odstránenie nespojitostí pri prepínaní frekvencií.

Vzhľadom na to, že NCO pracuje s 32 bitovým registrom môžeme napísať vzťah

pre výstupnú frekvenciu:

f fout ref=∆ϕ232

Použitie plného rozlíšenia fázového akumulátoru je však nepraktické, pretože by

vyžadovalo tabuľku s kapacitou 232 položiek. Pre obvody, ktoré pracujú napríklad

s 10 bitovým DA prevodníkom je postačujúce, aby vyhľadávacia tabuľka mala

rozlíšenie fáze o dva bity lepšie. Potom u výstupného signálu prevláda len

kvantizačná chyba prevodníka.

Obvody DDS od rôznych výrobcov sa líšia počtom bitov výstupného DA

prevodníka (8-12), ktorý sa spolu s referenčnou frekvenciou podieľa na

základných vlastnostiach DDS.

Na výstupe DDS sú diskrétne úrovne analógového signálu vodorovne prepojené

v intervaloch, ktorých pomer za jednu periódu je daný pomerom fref/fout (počet

vzoriek na jednu periódu). Ak chceme získať sínusový signál s čistým spektrom

musíme na výstup DDS zapojiť dolnopriepustný filter.



2.2. Základné vlastnosti obvodov DDS

Na trhu je dostupných niekoľko typov obvodov DDS, ich prehľad prebratý z [1]

TypTaktovacia frekvencia

(MHz)

Rozlíšenie prevodníka

(bit)

SFDR široké pásmo (dB) Napájanie

AD7008 50 10 -47 5V/160mAAD9850 125 10 -55 5V/90mA

Q2334-50N 50 12 -76 5V/130mAQ2230 85 12 -72

Prvé dva obvody vyrába firma Analog Devices, pričom AD9850 (na blokovej

schéme) je zjednodušená verzia AD7008 (obsahuje pred DA prevodníkom dve

10 bitové násobičky, ktoré umožňujú realizovať amplitúdovú, alebo kvadratúrnu

moduláciu, napr. pre vytvorenie signálu SSB). Druhé dva obvody sú výrobky

firmy QUALCOMM, ktoré vykazujú veľmi dobré hodnoty parametra SFDR

(Spurions Free Dynamic Range), vzhľadom na použité 10 bitové DA prevodníky

a patentované obvody redukcie šumu. Drobná nevýhoda je ich asi štvornásobná

cena oproti obvodom AD. Parameter SFDR je je nezávislý na tom, aké široké

pásmo uvažujeme vzhľadom na základnú harmonickú. Prvoradým kritériom je

zohľadnenie harmonických frekvencií vznikajúcich v DA prevodníku.



2.3. Spektrum výstupného signálu

Na obrázku je znázornená obálka spektra výstupného signálu pre referenčnú

frekvenciu 100MHz a frekvenčné zložky vznikajúce pri generovaní frekvencie

20MHz. Je zrejmé, že maximálna generovaná frekvencia je rovná fmax=fref/2.

Pokiaľ máme vysoké požiadavky na čistotu spektra je nutné voliť maximálnu

generovanú frekvenciu do 30% referenčnej frekvencie.



3. Popis a zapojenie použitého modulu DDS

3.1. Schéma zapojenia

3.2. Doska plošného spoja a osadenie súčiastok



3.3. Funkcia modulu

Ako zdroj referenčnej frekvencie je použitý kryštálový oscilátor, v prípade vyšších

požiadaviek na stabilitu je možné použiť teplotne kompenzovaný kryštálový

oscilátor.

Najmenší ladiaci krok je daný vzťahom

∆ffref

min =232

pri použití kryštálu 125MHz (max. hodnota podľa výrobcu) je to

∆ff

Hzrefmin

..= = =

2125 10

20 0291038332

6

32

Prax ukázala, že obvody AD9850 je možné „urýchliť“ a spoľahlivo pracujú aj na

frekvencii 200MHz. Z praktických dôvodov je preto vhodné použiť referenčnú

frekvenciu 143,165576MHz. Táto hodnota je zámerne volená tak, aby bol

minimálny frekvenčný krok

∆ff

Hzrefmin .= = =

2143165576

20 03333332 32

teda na základný krok 0,1Hz treba bez ďalšej korekcie presne 3 frekvenčné

kroky. Riadenie takejto syntézy z mikropočítača je potom maximálne jednoduché

a presné.

V module je použitý ako zdroj referenčnej frekvencie clappov oscilátor. Zapojenie

je zvolené preto, lebo dokáže spoľahlivo pracovať aj s kryštálmi pracujúcimi na

vyššej harmonickej. Jeho nevýhodou je ale väčšie zosilnenie a teda náchylnosť

na parazitné zakmitávanie. Pri jeho návrhu je potrebné zohľadniť zásady:

• Medznú frekvenciu tranzistoru je vhodné voliť aspoň 10x väčšiu ako je

frekvencia kryštálu

• Dobre vysokofrekvenčne blokovať bázu tranzistora a pri návrhu sa vyhnúť

slučkám

• Ladený obvod tranzistora (zo schémy L3 a C5+C6), by mal mať malú kvalitu

a dobré prizemnenie (výhoda tranzistora PNP)

• Výkon oscilátora voliť maximálne –10dBm, napájacie napätie maximálne 12V



• Je vhodné kompenzovať statickú kapacitu kryštálu paralelne zapojenou

cievkou (0,18-0,08µH pre f=120-150MHz)

• Pri nastavovaní nahradiť kryštál rezistorom s odporom približne 180Ω (z

náhradnej schémy kryštálu) a naladiť indukčnosť L3 rezonančného obvodu s

C5 a C6 do stredu stredu sériovej rezonancie kryštálu

• Kapacitný napäťový delič voliť s prenosom C6/C5=5

Tento návrh je prebratý z [1], podrobnejší návrh je možné nájsť v [2]

Tranzistory T2 a T1 realizujú napäťové zosilnenie a prispôsobenie ku obvodu

AD9850. Obvod má rozdelené napájacie napätie +5V pre číslicovú a analógovú

časť. Na výstupe DDS modulu sú zaradené dva dolnopriepustné filtre v SMD

prevedení, ktoré potláčajú frekvenciu oscilátora (na 30MHz majú útlm 0,5dB, na

125MHz 24dB). Je vhodné na výstup pripojiť aj ďalšie dolnopriepustné články

kôli dosiahnutiu čistého výstupného spektra. Konkrétne požiadavky na filter ale

samozrejme závisia od konečného použitia DDS modulu.



4. Technické parametre

Technické parametre obvodu AD9850:

• max. ref. frekvencia 125MHz

• napájanie +3,3/5V

• odber zo zdroja 380mW (5V, 125MHz), 155mW (3,3V, 110MHz)

• DAC SFDR >50dB pri 40MHz

• 32 – bitové riadiace slovo

• paralelné alebo sériové programovanie

• možnosť fázovej modulácie

• 10 bitový DA prevodník

• zabudovaný rýchly komparátor

• možnosť softwarového power down módu

Technické parametre DDS modulu s AD9850:

• referenčná frekvencia 143,165 576MHz

• stabilita ref. frekv. 50ppm v rozsahu teplôt 15-35oC

• nastavenie frekvencie 0,1Hz-60MHz

• výstupné napätie –3dBm

• skreslenie harmonického signálu 0,2-1%

• výstupná impedancia 50Ω



5. Popis funkcií ovládacieho programu

DDS modul je pripojený na paralelný port PC, ktorý sa dá jednoducho ovládať po

jednotlivých bitoch, čo je neodceniteľné pri rôznych experimentoch pri vývoji

elektronických zariadení.

Ako už bolo spomenuté, do obvodu AD9850 je možné posielať 40dátových bitov

buď paralelne 5x1bajt, alebo sériovo 40x1bit. Voľba módu programovania závisí

od požiadaviek na rýchlosť prelaďovania a od možností ovládacieho procesora.

My sme zvolili paralelný zápis, ktorého časové priebehy sú na nasledujúcom

obrázku:

Postup pri programovaní: prvý krát treba resetovať celý obvod signálom RESET, potom stačí opakovať

nasledujúcu sekvenciu:

1. zhodiť signál FQ_UD do nuly

2. nastaviť na port dátový bajt W0

3. vygenerovať jeden impulz W_CLK











12. nastaviť signál FQ_UD na jednotku

Po uplynutí času tCF=18 hodinových cyklov (pre 143,165 576MHz je to cca

125ns), sa na výstupe generuje nastavená frekvencia. Ak vezmeme do úvahy, že

zapísanie jedného bajtu trvá 7ns (min. hodnota z katalógu), je možné meniť

výstupnú frekvenciu zhruba 6 000 000 krát za sekundu. Pri fázovej modulácii je

na nastavenie výstupu potrebných len 13 hodinových cyklov (90ns) a teda

výstupnú fázu meniť približne 8 000 000 krát za sekundu.

Napísaný ovládací program pozostáva z jednoduchého menu a podmenu, ktoré

vyzerá nasledovne:

Nastavenie Frekvencia Rozmietanie | | LPT fmIn Fosc fmAx W0 Rozlíšenie Jednotka Čas

liN/loG Auto/Manual

Pošli

Funkcie jednotlivých položiek menu:

Nastavenie:

• LPT - adresu portu, na ktorý je pripojený modul DDS (LPT1 - LPT4)

• fosc - frekvenciu ref. kryštálového oscilátora, použitého na module DDS

• W0 - prvý bajt, ktorý nesie informáciu o fáze a riadiace bity

• jednotka - jednotka v ktorej sa zadáva frekvencia (Hz, kHz, MHz)

Frekvencia:

• priamo zadávame hodnotu frekvencie, ktorú chceme generovať



Rozmietanie:

• fmin - spodná frekvencia od ktorej sa má rozmietať

• fmax - vrchná frekvencia po ktorú sa má rozmietať

• rozlíšenie - počet bodov na jeden frekvenčno rozmietnutie

• čas - čas za ktorý sa zrealizuje jedno rozmietnutie (sec)

• lin/log - určuje či frekvencia v zadanom pásme narastá lineárne s časom,

alebo logaritmicky s časom

• auto/manual - určuje ako sa nastavuje frekvencia, buď voľne beží, alebo sa

nasledujúce nastavenie pošle až po stlačení klávesy

• pošli - spustí generovanie frekvencií, dá sa zastaviť stlačením klávesy Esc

Voľba jednotlivých položiek je stlačením príslušného písmena menu, lebo naše

programátorské schopnosti bohužiaľ niesú až také dobré aby sme vedeli urobiť

plnohodnotné roletové menu. Program sme písali v jazyku Turbo Pascal 7a beží

pod operačným systémom MS-DOS, lebo pod windows sa porty veľmi ťažko

ovládajú po jednotlivých bitoch.

Program je síce užívateľsky menej príjemný, ale na experimentálne použitie v

laboratóriu postačuje. V praxi sa ukázalo, že by bolo vhodné prirobiť ešte funkciu

prelaďovania pomocou dvoch kláves (hore/dole), ktorá značne zrýchli a

spohodlní meranie napríklad maxím amplitúdovo – frekvenčných charakteristík,

alebo rezonancií obvodov.

Výpis programu v dokumentácii neuvádzame, lebo ho nikdy nikto nečíta a treba

šetriť papier.

Možnosti sú ovládania obvodu DDS sú prakticky neobmedzené a dostávame do

rúk pomerne silný merací nástroj, ktorý sa svojimi vlastnosťami blíži ideálnemu

generátoru (široký frekvenčný rozsah, vysoká stabilita frekvencie, vysoká

presnosť nastavenia frekvencie, možnosť amplitúdovej, frekvenčnej, fázovej

modulácie ľubovoľným signálom a absolútnou linearitou a iné). Keď si to však

premietneme do reality naše programátorské schopnosti sa rýchlo vyčerpali a na

dosiahnutie silného meracieho nástroja musíme dať program napísať niekomu,

kto vie lepšie programovať...



6. Použitá literatúra

[1] Heyduk, K.: Priama číslicová syntéza s DDS, Praktická elektronika ARadio

6/1998

[2] Neubik, B.: Entwurf von hochstabilen Quartzoszillatoren. UKW Berichte

2/1990

[3] Analog Devices - data sheets

[4] Analog Devices - application notes

7. Prílohy

katalógový list obvodu AD9850

číslicového syntezátora ad pomocou pcbalu.sk/skola/riadenie_dds.pdf · s 10 bitovým da...

Documents