Основы робототехники

Генератор сигналов на Arduino и DDS модуле AD9833

Содержание

Если вы решили всерьез заняться радиолюбительством, то вам в вашей мастерской никак не обойтись без генератора сигналов (функционального генератора, Function Generator). Промышленные образцы подобных генераторов могут стоить достаточно дорого, собственными силами генератор сигналов изготовить значительно дешевле.

Внешний вид генератора сигналов на Arduino и DDS модуле AD9833

В этой статье мы рассмотрим создание простейшего генератора сигналов на основе платы Arduino и DDS модуля AD9833, с помощью которого можно будет формировать синусоидальный, прямоугольный и треугольный сигналы с частотой до 12 МГц. Тестировать работу нашего генератора сигналов мы будем с помощью осциллографа, который можно также собрать на основе платы Arduino. Также на нашем сайте вы можете посмотреть проект генератора сигналов синусоидальной и прямоугольной формы только на основе платы Arduino, без использования дополнительных модулей.

Что такое генератор сигналов на основе прямого цифрового синтеза (DDS)

Как следует из названия, генератор сигналов может формировать различные виды сигналов заданной частоты. Аббревиатура DDS (Direct Digital Synthesis) означает прямой цифровой синтез. При этом способе любой сигнал можно сформировать в цифровом виде, а затем преобразовать его в аналоговый вид с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Чаще всего в современной электронике этот метод используется для формирования синусоидальных сигналов, но с его помощью можно формировать и прямоугольные, и треугольные сигналы, и вообще сигналы любой формы. Поскольку формирование сигналов происходит в цифровой форме в модуле DDS, то можно не только очень быстро переключаться между сигналами различной формы, но и также очень быстро изменять их частоту.

Принцип работы генератора сигналов AD9833

"Сердцем" нашего проекта будет микросхема AD9833, представляющая собой программируемый генератор сигналов и отличающаяся низким энергопотреблением. Микросхема (модуль) AD9833 способна формировать сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы с максимальной частотой до 12 МГц. Таким образом, с помощью программы можно изменять частоту, фазу и форму сигналов на выходе данной микросхемы. Управляется данная микросхема по 3-х проводному интерфейсу SPI, что делает взаимодействие с ней достаточно простым. Функциональная схема микросхемы AD9833 приведена на следующем рисунке.

Функциональная схема микросхемы AD9833

Принцип работы данной микросхемы достаточно прост. Если мы посмотрим на ее функциональную схему, то мы обнаружим в ее составе аккумулятор фазы (Phase Accumulator), чья работа состоит в сохранении всех возможных значений синусоидальной волны, начиная от 0 to 2π. Также в ее схеме присутствуют SIN ROM, который преобразует информацию о фазе в амплитуду, и 10-битный ЦАП, который принимает данные от SIN ROM и преобразует их в соответствующие аналоговые значения напряжения, которые и подаются на выход микросхемы. На выходе микросхемы присутствует программно управляемый выключатель – его можно включать и выключать. Его роль мы рассмотрим далее в статье.

Основные особенности модуля AD9833:

  • цифровое программирование частоты и фазы;
  • потребляемая мощность 12.65 мВт при напряжении 3 В;
  • диапазон выходных частот от 0 МГц до 12.5 МГц;
  • разрешение 28 бит (0.1 Гц при частоте опорного сигнала 25 МГц);
  • синусоидальные, треугольные и прямоугольные выходные колебания;
  • напряжение питания от 2.3 В до 5.5 В;
  • трехпроводной интерфейс SPI;
  • расширенный температурный диапазон: от –40°C до +105°C;
  • опция пониженного энергопотребления.

Вкратце принцип работы данной микросхемы мы рассмотрели, более подробную информацию об этом вы можете посмотреть в даташите на микросхему AD9833.

Расположение выводов микросхемы AD9833 показано на следующем рисунке.

Расположение выводов микросхемы AD9833

Назначение выводов микросхемы:

VCC – плюс питания для цифровых и аналоговых цепей генератора.
DGND – цифровая 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 – выбор микросхемы. Перед началом передачи данных должен быть установлен в 0, по завершении в 1.
AGND – аналоговая земля.
OUT – выход генератора.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
  2. AD9833 DDS Function Generator (генератор сигналов AD9833) (купить на AliExpress).
  3. OLED дисплей 128х64 (купить на AliExpress — для данного проекта можно покупать модель с 4-мя контактами поскольку используется его подключение по интерфейсу I2C).
  4. Инкрементальный энкодер c кнопкой (Rotary Encoder) (купить на AliExpress — не уверен в том, что в нем есть кнопка, но она точно есть в этом лоте — купить на AliExpress № 2, но он продается, к сожалению, только по 5 штук).
  5. Регулятор напряжения LM7809 (купить на AliExpress).
  6. Конденсаторы 470 мкФ и 220 мкФ (купить на AliExpress).
  7. Конденсатор 104 пФ (купить на AliExpress).
  8. Резистор 10 кОм – 6 шт. (купить на AliExpress).
  9. Тактильный переключатель (Tactile Switches) – 4 шт. (купить на AliExpress).
  10. Зажимной контакт (Screw Terminal) 5.04mm (купить на AliExpress).
  11. Разъем типа "мама" (Female Header) и разъем типа DC Barrel Jack.
  12. Источник питания с напряжением 12 В.

Схема проекта

Схема генератора сигналов на основе платы Arduino и DDS модуле AD9833 представлена на следующем рисунке.

Схема генератора сигналов на основе платы Arduino и DDS модуле AD9833

"Сердцем" схемы является модуль AD9833, который подключен к плате Arduino. Для питания схемы используется регулятор напряжения LM7809 с подключенными к нему развязывающими конденсаторами, которые используются для фильтрации нежелательных шумов, способных оказать негативное воздействие на формируемые сигналы.

Управляет работой всей схемы плата Arduino. Для отображения информации используется OLED дисплей 128х64. Для изменения частоты формируемого сигнала мы используем три переключателя: первый устанавливает частоту в Гц, второй – в кГц, а третий – в МГц. Также мы используем кнопку для включения или отключения выхода схемы. И, наконец, в схеме используется инкрементальный энкодер (rotary encoder) вместе с подключенными к нему подтягивающими резисторами (чтобы правильно работали переключатели). Инкрементальный энкодер используется для изменения частоты, а тактильный переключатель внутри него используется для выбора формы сигнала.

Внешний вид собранной конструкции проекта генератора сигналов на Arduino

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты. Комментарии к коду программы переведены в конце статьи, в этом разделе я их оставил на английском языке.

Для написания кода программы нам прежде всего необходимо скачать необходимые библиотеки по следующим ссылкам:

Далее в программе мы подключим заголовочные файлы используемых библиотек. Библиотека AD9833.h используется для работы с DDS модулем AD9833, а библиотека math.h – для выполнения ряда математических операций.


Источник: microkontroller.ru