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Bau- und Bedienungsanleitung
Best.-Nr.: 47138 Version 6.0, Stand: Juli 2005
20-MHz-DDS-Board DDS 20
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Bau- und Bedienungsanleitung
Phase einer Sinusschwingung ( · t) reicht von 0° bis 360° (im Winkelmaß) bzw. von 0 bis 2 (im Bogenmaß). Sie läuft rampenförmig von 0 bis 2 hoch und springt dann auf 0 zurück. Abbildung 1 zeigt eine Sinusschwingung und die zugehörige Phase. Für die Erzeugung des Sinussignals per DDS wird diese Phase digital über den so genannten Phasen-Akkumulator erzeugt. Der zur aktuellen Phase gehörende Digitalwert ist in einer Tabelle abgelegt und wird auf einen Digital-Analogwandler gegeben, der dann den entsprechenden Spannungswert erzeugt. Der im DDS-Board eingesetzte Chip AD9835 beeinhaltet ein komplettes DDSSystem, das gemäß des vereinfachten Blockschaltbildes (Abbildung 2) näher erläutert werden soll. Der direkte digitale Synthesizer besteht im wesentlichen aus drei Hauptkomponenten: 1. Phasen-Akkumulator 2. Phasen-Sinus-Konverter (Tabelle mit Abtastwerten) 3. Digital/Analog-Wandler Wie bereits erläutert, reicht die Phase einer Sinusschwingung von 0 bis 2 . Der Phasen-Akkumulator (1) ist ein 32 Bit breiter Speicher (Auflösung: 232 = 4.294.967.296), der in digitaler Form die aktuelle Phase der zu erzeugenden Sinusschwingung enthält. Ist jede Stelle des 32Bit-Speichers 0, so entspricht dies 0 Rad, steht an jeder Stelle eine 1, hat die Phase 2 Rad erreicht. Während jedes Taktzyklus der Taktfrequenz fT wird zum Inhalt des Phasen-Akkumulators der Wert ,,Delta-Phase" addiert. Der Wert ,,Delta-Phase" repräsentiert den Phasensprung in der Si-
20-MHz-DDS-Board DDS 20
Das neue 20-MHz-DDS-Board erzeugt Sinus- und Rechtecksignale im Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 20 MHz. Durch das DDS-Verfahren ergeben sich sowohl eine ausgezeichnete Signalqualität (hoher Nebenwellenabstand) als auch sehr kleine Frequenz-Einstellschritte. Das DDS-Board ist universell einsetzbar, z. B. zum preisgünstigen Aufbau eines hochwertigen Sinus-/Rechteckgenerators oder einer hochauflösenden Zeitbasis für Kurzwellenempfänger o. ä.
Allgemeines zum DDS-Verfahren Das DDS-Verfahren (direct digital synthesis, direkte digitale Synthese) erzeugt Signale auf digitale Weise durch direkte Digital-Analog-Wandlung und besitzt gegenüber allen anderen Verfahren entscheidende Vorteile: - hohe Frequenzgenauigkeit (Genauigkeit des Systemtaktes) - sehr kleine Frequenzeinstellschritte im gesamten Frequenzbereich - gute Temperatur- und Zeitstabilität - ein einziger großer Frequenzbereich, d. h. keine Bereichsumschaltung - schnelles, phasendurchgängiges Abstimmen - kein Frequenzüberschwingen bei Frequenzänderung Sinus-Signale lassen sich durch den mathematischen Ausdruck a(t) = A · sin ( · t) beschreiben. Dieser periodische Kurvenverlauf lässt sich digital durch Ausgabe von entsprechenden Digitalwerten (Abtastwerte einer Sinusschwingung) auf einem Digital- Analogwandler erzeugen. Die 2
Technische Daten: DDS 20 Sinussignal Frequenzbereich: ........................................................................ 0,1 Hz bis 20 MHz Ausgangsspannung: .............................................................. 0 V bis 4 Vss, RI=50 Nebenwellenabstand: ............................................................ ca. 50 dB bis 10 MHz Rechtecksignal Bereich: ...................................................................................... 0,5 Hz bis 20 MHz Ausgangsspannung: ........................................................ 5 Vss, RI=50 ,TTL-Pegel Signalanstiegszeit: .......................................................................................... < 4 nS Anzeige: ............................................. LC-Display, 8-stellig, mit Funktionsanzeige Frequenzauflösung: .................... 0,1 Hz im Bereich von 0,1 Hz - 9,9999999 MHz, 1 Hz im Bereich von 10 MHz - 20 MHz Genauigkeit: ..................... softwaremäßig kalibrierbar, ohne Kalibrierung 50 ppm Wobbelgenerator Wobbelbereich: .......................................................................... 0,1 Hz bis 20 MHz Wobbelfrequenz: ........................................................................... 0,1 Hz bis 20 Hz Weitere Features - PLL-Faktor: ............................................................................................. 1 bis 100 - Zwischenfrequenz: ................................... 0 bis 2 GHz, addier- oder subtrahierbar - Programmierung des Frequenz-Einstellbereiches (minimale/maximale Frequenz) - 10 nichtflüchtige Speicher für Frequenzen - nichtflüchtige Speicherung der zuletzt aktiven Frequenz Spannungsversorgung: .................... +7 bis12 V/100 mA und -7 bis -12 V/100 mA (nur bei Sinussignal erforderlich) Abmessungen: ..................................................................................... 154 x 64 mm
Bild 1: Sinusschwingung mit zugehöriger Phase
Genauigkeit und Stabilität der Taktfrequenz die Genauigkeit und Stabilität des Sinussignals. Die Frequenzauflösung, d. h. der kleinste Einstellschritt des Sinussignals, wird durch die Wortbreite N von ,,DeltaPhase" festgelegt. Die Frequenzauflösung f ergibt sich zu: f = ft/2N Beim DDS-Board liegt der kleinste (interne) Frequenzeinstellschritt bei einer Taktfrequenz von 50 MHz und einer Wortbreite von N = 32 bei 11,64 mHz. Der Phasen-Sinus-Konverter (2) besteht im wesentlichen aus einem Speicher (Tabelle), über dessen Adressbereich verteilt die digitalen Abtastwerte einer Sinusschwingung stehen. Dieser Speicher wird nun periodisch mit den ,,m"-höchstwertigen Bits des Phasen-Akkumulators als Adressen ausgelesen. Eine Begrenzung auf ,,m"-Bit ist erforderlich, um den Aufwand für den Speicher gering zu halten. Damit
nusschwingung pro Taktzyklus und wird von einem Mikrocontroller in den Chip geschrieben. Das Ausgangssignal des Phasen-Akkumulators entspricht somit einer digitalen Rampe, deren Wiederholfrequenz gleich der Frequenz des erzeugten Sinussignals ist. Abbildung 3 zeigt die vereinfachte
Die Anzahl der Phasensprünge pro Ausgangssignalperiode ergibt sich zu: Anzahl der Phasensprünge = 232 /,,Delta Phase" Damit kann die Frequenz des Ausgangs-
Bild 2: Das Blockschaltbild des AD9835
Innenschaltung des Phasen-Akkumulators und die digitale Rampe. Gemäß Abbildung 3 berechnet sich die Frequenz fa des Sinussignals wie folgt: fa = 1/Ta, mit: Ta = Anzahl der Phasensprünge pro Ausgangssignalperiode · Tt und Tt = 1/ft, ft = Taktfrequenz des Systems
signals nach folgender Formel berechnet werden: fa = 1/Ta = ,,Delta Phase" / (232·ft) Somit besitzt der Synthesizer zwei digitale, frequenzbestimmende Eingänge, nämlich die Taktfrequenz und den Phasensprung ,,Delta-Phase". Damit bestimmen
werden periodisch die Abtastwerte einer Sinusschwingung erzeugt. Abbildung 4 zeigt das Funktionsprinzip dieses Schaltungsteils. Entweder sind die Abtastwerte fest gespeichert (ROM) oder zuvor mit Hilfe eines Algorithmus berechnet und in den Speicher (RAM) geschrieben worden. Letzteres Verfahren bietet die Möglichkeit der Erzeugung vielfältiger
Bild 3: Vereinfachter PhasenAkkumulator und digitale Phase
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Bau- und Bedienungsanleitung
Bild 4: Das Funktionsprinzip des PhasenSinus-Konverters
DDS-Board nur als Zeitbasis verwendet werden, d.h. es wird nur das Rechtecksignal und kein Sinussignal benötigt, kann auf die Bestückung der Sinus-Endstufe AD811, des Amplituden-Einstellpotis sowie die negative Versorgungsspannung verzichtet werden. Im nachfolgenden wird die Bedienung beschrieben. Bedienung Die Bedienung des DDS 20 ist einfach gehalten und erfolgt über 3 Tipptasten, einen Inkrementalgeber sowie ein Poti. Als Defaultwerte sind folgende Einstellungen programmiert, die nach dem ersten Einschalten aktiv sind: - Frequenz: 1 kHz - Wobbelfunktion: aus - Minimale Frequenz: 0,1 Hz - Maximale Frequenz: 20 MHz - System-Taktfrequenz: 50,000000 MHz Frequenzeinstellung Die Frequenzeinstellung erfolgt über den Inkrementalgeber und die beiden unter dem Display befindlichen Tipptasten ,,<" und ,,>". Die Stelle, die mit dem Inkrementalgeber veränderbar ist, blinkt und kann durch eine der Tasten ,,<" oder ,,>" angefahren werden. Durch Drehen des Inkrementalgebers vergrößert oder verkleinert man die Stelle, je nach Drehsinn. Beim Überlauf erfolgt ein Übertrag auf die nächsthöhere bzw. kleinere Stelle. Amplitudeneinstellung Die Amplitude des Sinussignals ist über das Potentiometer R 6 im Bereich von 0 V bis max. 4 Vss einstellbar. Wobbelgenerator Der integrierte Wobbelgenerator ermöglicht es, den gesamten Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 20 MHz ohne Umschalten zu durchfahren. Dabei sind die Parameter Startfrequenz, Stoppfrequenz und Wobbelfrequenz einstellbar. Um die Wobbelfunk-
Kurvenformen. Die so erzeugten Abtastwerte werden einem schnellen Digital/Analog-Wandler (3) zugeführt, der dann die analoge Ausgangsspannung erzeugt. Im Idealfall würde im Ausgangssignal ausschließlich die Nutzfrequenz fa enthalten sein. Die Ausgangsspannung ist jedoch mit einigen durch die digitale Erzeugung bedingten Störsignalen behaftet, die sich durch das Nachschalten eines Tiefpassfilters fast vollständig eliminieren lassen. Die Störsignale entstehen aus folgenden Gründen: - Die aus dem Speicher ausgelesenen Abtastwerte des Sinussignals werden mit der Taktfrequenz ft vom DA-Wandler in die analoge Spannung umgesetzt. Dadurch wiederholt sich laut Fourier-Transformation das ideale Ausgangsspektrum bei den ganzzahligen Vielfachen der Taktfrequenz. - Eine weitere Verunreinigung des Ausgangsspektrums entsteht durch die Quantisierung des Signals. Der Aussteuerbereich der Ausgangsspannung ist durch die DA-Wandler-Auflösung von 10 Bit in 1024 Stufen aufgeteilt. Dieser Effekt drückt sich im Hinblick auf die Signalqualität als Quantisierungsrauschen aus, das sich zum Spektrum gleichverteilt addiert. - Des weiteren erzeugen die Nichtlineari-
täten in der Übertragungsfunktion des DA-Wandlers ein Störspektrum, das vorher kaum zu berechnen ist und vom jeweiligen DA-Wandler abhängt. Diese Nichtlinearitäten erzeugen im Ausgangsspektrum die Harmonischen der Grundfrequenz. Bezieht man all diese Überlegungen auf das Ausgangsspektrum, so ergibt sich in etwa der in Abbildung 5 dargestellte Verlauf. Ein Großteil der zuvor erläuterten Störfrequenzen kann mit Hilfe eines nachgeschalteten, steilflankigen Tiefpassfilters entfernt werden, dessen Grenzfrequenz geringfügig höher als die höchste Nutzfrequenz zu wählen ist. Das DDS-Board DDS-20 Durch Einsatz des hochintegrierten DDS-Bausteins AD9835 konnte mit relativ wenigen Bauelementen ein hochwertiger DDS-Generator zur Erzeugung von Sinus- und Rechtecksignalen realisiert werden. Das DDS-Board zeichnet sich durch die in den technischen Daten erwähnten Eigenschaften aus. Die maximale Ausgangsfrequenz wäre aufgrund des Nyquisttheorems auf die halbe Taktfrequenz, d. h. 25 MHz beschränkt. In der Praxis nutzt man jedoch lediglich 40% der Taktfrequenz (20 MHz). Soll das
Bild 5: Spektrum des Ausgangssignals
4
tion zu aktivieren, geht man wie folgt vor: - kurzes Betätigen der Taste ,,Prog.". Das Display zeigt ,,F1" an. Dies ist die Startfrequenz, die, wie unter ,,Frequenzeinstellung" beschrieben, einzustellen ist. - Betätigen der Taste ,,Prog." ein weiteres Mal, das Display zeigt ,,F2". Jetzt ist die Stoppfrequenz zu einzugeben. - Beim nächsten Betätigen der Taste ,,Prog." Erscheint ,,SP", woraufhin die Wobbelfrequenz einzustellen ist. - Eine weitere Betätigung der Taste ,,Prog." startet den Wobbelvorgang, das Display zeigt ,,run" und die aktuelle Frequenz. - Um die Wobbelfunktion zu verlassen, ist die Taste ,,Prog." ein weiteres Mal zu betätigen. Das DDS-Board befindet sich jetzt wieder im normalen Modus. Frequenzen speichern und abrufen Das DDS-Board verfügt über 10 nichtflüchtige Speicher zum Abspeichern von Frequenzen. Beim Einsatz als Zeitbasis für Empfänger lassen sich so komfortabel Stationstasten realisieren. Frequenz speichern - Abzuspeichernde Frequenz einstellen - Taste ,,<" länger als 2 Sekunden betätigen, das Display zeigt ,,S 1" - Mit dem Inkrementalgeber die Speicherstelle (S 1 bis S 10) auswählen - Durch Betätigen der Taste ,,Prog." wird die eingestellte Frequenz unter der gewählten Speicherstelle abgespeichert. Frequenz abrufen - Taste ,,>" länger als 2 Sekunden betätigen, Das Display zeigt ,,L 1" - Mit dem Inkrementalgeber die Speicherstelle (L 1 bis L 10) auswählen - Durch Betätigen der Taste ,,Prog" wird die eingestellte Frequenz unter der gewählten Speicherstelle abgespeichert. Weiterführende Funktionen Wie bereits erwähnt, kann das DDSBoard ebenfalls als Zeitbasis für PLL-Systeme oder Empfänger dienen, gerade in Verbindung mit Selbstbauprojekten. Dies sei an einem Beispiel erläutert: Ein Doppel-Superhet-Kurzwellenempfänger soll im Frequenzbereich von 0 bis 30 MHz empfangen, die Zwischenfrequenzen betragen 45 MHz und 455 kHz (gängige Werte). Um den genannten Empfangsbereich zu gewährleisten, muss der erste Lokaloszillator (VCO = voltage controlled oscillator) einen Frequenzbereich von 45 MHz bis 75 MHz überstreichen (45 MHz - 45 MHz = 0 MHz, 75 MHz 45 MHz = 30 MHz). Das Teilerverhältnis des Teilers für das VCO-Signal betrage 8, womit die Zeitbasis (DDS-Board) im Frequenzbereich von 5,625 MHz bis 9,375 MHz arbeiten muss. Somit ergibt
sich für einen derartigen Empfänger als kleinster Frequenz-Einstellschritt 0,8 Hz (0,1 Hz · 8, DDS-Board-Auflösung · PLLFaktor). Damit auf dem Display des DDSBoardes die Empfangsfrequenz angezeigt wird, sind folgende Parameter zu programmieren: - Minimale Frequenz: 5,625 MHz - Maximale Frequenz: 9,375 MHz - PLL-Faktor: 8 - ZF-Offset: - 45 MHz Weiterhin kann man die Frequenzgenauigkeit des ausgegebenen Signals heraufsetzen, indem ein Software-Frequenzabgleich durchgeführt wird. Beim DDSVerfahren entspricht die Genauigkeit des ausgegebenen Signals der Genauigkeit des integrierten Quarzoszillators. Durch Vorgabe dieses Wertes per Software kann ein Feinabgleich erfolgen. Der 50-MHz-Quarzoszillator des DDS-Boards ist mit 50 ppm spezifiziert. Das bedeutet bei einer Ausgangsfrequenz von 10 MHz eine maximale Abweichung von 500 Hz. Um die Genauigkeit der Signalfrequenz zu erhöhen, geht man wie folgt vor: - Einstellen einer Frequenz fsoll, z. B. 10 MHz - Messen der Ausgangsfrequenz fist mit einem geeigneten Frequenzzähler, z. B. 9,999950 MHz. - Berechnen des Abweichungs-Faktors a = fist / fsoll = 0,999995 - Multiplizieren der Taktfrequenz fc mit a: 50 MHz · 0,999995 = 49,99975 MHz - Das Ergebnis (49,99975 MHz) ist als Taktfrequenz zu programmieren. Programmierung der weiterführenden Funktionen Zur Programmierung der zuvor beschriebenen Parameter geht man wie folgt vor: - Betätigen der Taste ,,Prog." länger als 2 Sekunden. Das Display zeigt ,,OSC" und ,,50.000000 MHz" an. Die berechnete Taktfrequenz ist einzustellen (Beispiel: 49,99975 MHz). - Betätigen Sie die Taste ,,Prog." ein weiteres Mal, das Display zeigt ,,Fu" an. Jetzt ist die minimale Ausgabefrequenz einzugeben (Beispiel: 5,625 MHz). - Beim nächsten Betätigen der Taste ,,Prog." erscheint ,,Fo", woraufhin die maximale Ausgabefrequenz einzustellen ist (Beispiel: 9,375 MHz). - Eine weitere Betätigung der Taste ,,Prog." führt zur Anzeige ,,FAC", woraufhin der PLL-Faktor einzustellen ist (Beispiel: 8). - Nach einem weiteren Betätigen der Taste ,,Prog." zeigt das Display ,,OFF" und ,,Frequency neg." an, woraufhin der ZFOffset einzustellen ist (Beispiel: -45 MHz). ,,Frequency neg." bedeutet negativer Offset. Soll der Offset positiv sein, betätigen Sie die Taste ,,>" länger als 2 Sek. - Die nächste Betätigung der Taste ,,Prog." schließt den Eingabevorgang ab.
Schaltung Abbildung 6 zeigt das Schaltbild des übersichtlichen Schaltbildes, gemessen an den Features. Der Prozessor IC 3 (KS57C2308) steuert alle Ein- und Ausgabefunktionen des DDS-Boards. Der zur Frequenzeinstellung dienende Inkrementalgeber DR 1 ist mit externen Pull-UpWiderständen versehen und an die Portpins 25 und 32 angeschlossen. Je nach Drehrichtung der Achse wird einer der Portpins eher auf Massepotential gezogen als der andere. Die 3 Taster TA 1 bis TA 3 sind direkt an die Portpins 48 bis 50 angeschlossen und legen bei Betätigung die Portpins auf Massepotential. Alle Systemdaten (Taktfrequenz, Frequenzspeicher, etc.) sind im EEPROM IC 4 (24C04) abgelegt. Der Prozessor steuert weiterhin direkt das Display LCD 1 an und beschreibt über die Datenleitungen ,,SCLK", ,,SDATA" und ,,FSYNC" (Pin 36 bis 38) den DDSChip AD9835. Der mit dem Quarz Q 1 und den Kapazitäten C 20 und C 21 realisierte Oszillator gibt den Prozessortakt vor. Der DDS-Chip IC 5 vom Typ AD9835 beinhaltet das komplette DDS-System, die Programmierung des 32-Bit-breiten Frequenzwortes ,,Delta-Phase" erfolgt, wie bereits erwähnt, über die 3 Datenleitungen ,,SCLK", ,,SDATA" und ,,FSYNC" vom Prozessor aus. Den Systemtakt gibt der Quarzoszillator Q 2 mit 50 MHz vor. Der DDS-Chip treibt am Ausgang (Pin 14, IOUT) einen Strom durch den Widerstand R 4, wodurch die Ausgangsspannung erzeugt wird. Laut Datenblatt ist R 4 so zu dimensionieren, dass bei einem Strom in der Größenordnung von ca. 4 mA die Spannung an R 4 nicht größer als 1,35 V ist, da ansonsten Verzerrungen auftreten. Der Strom selbst kann durch die Größe des Widerstandes R 3 vorgegeben werden. Da der DDS-Chip lediglich mit positiver Versorgungsspannung betrieben wird, ist die Ausgangsspannung an R 4 nicht symmetrisch zur Nulllinie, sondern positiv (Aussteuerbereich 0 V bis max. 1,35 V). Das bereits erwähnte Tiefpassfilter 7ter Ordnung zur Eliminierung nicht gewollter Frequenzanteile aus dem Ausgangssignal bilden die Komponenten C8, L 4, C 9, L 3, C 10, L 2, C 11 sowie die Eingangskapazität der FET-Stufe T 1, die mit ca. 10 pF anzusetzen ist. Die Grenzfrequenz liegt bei ca. 22 MHz, Abbildung 7 zeigt das Ergebnis einer Frequenzgang-Simulation. Das Filter wird durch das Potentiometer zur Amplitudeneinstellung R 6 abgeschlossen. Über den Koppelkondensator C 36 gelangt das Sinussignal vom Poti-Abgriff auf die Sinus-Endstufe IC 7 (AD 811), die zum einen eine Verstärkung um den Faktor 3,6 bewirkt und zum anderen in Verbindung 5
Bau- und Bedienungsanleitung
Verstärker
+5V
R26
R27
470R
R20
C41
1M
100n SMD
+5V
+5V IC3
RESET 19 20 21 22 23 ¯¯¯¯¯¯ RESET P0.0/INT4 ¯¯¯¯ P0.1/SCK P0.2/SO P0.3/SI
+
+5V LCD1
COM0 COM1 COM2 COM3 SEG0 SEG1 SEG2 SEG3 SEG4 SEG5 SEG6 SEG7 SEG8 SEG9 SEG10 SEG11 SEG12 SEG13 SEG14 SEG15 SEG16 SEG17 SEG18 SEG19 SEG20 SEG21 SEG22 SEG23 P8.0/SEG24 P8.1/SEG25 P8.2/SEG26 P8.3/SEG27 P8.4/SEG28 P8.5/SEG29 P8.6/SEG30 P8.7/SEG31 VCL0 VCL1 VCL2 BIAS XOUT XIN 4 5 6 7 3 2 1 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 52 9 10 11 8 14 15 32 COM0 31 COM1 30 COM2 29 COM3 1 SEG0 2 SEG1 3 SEG2 4 SEG3 5 SEG4 6 SEG5 7 SEG6 8 SEG7 9 SEG8 10 SEG9 11 SEG10 12 SEG11 13 SEG12 14 SEG13 15 SEG14 16 SEG15 17 SEG16 18 SEG17 19 SEG18 20 SEG19 21 SEG20 22 SEG21 23 SEG22 24 SEG23 25 SEG24 26 SEG25 27 SEG26 28 SEG27 LC-Display
C40 C38 L1 T1
6K8
C39 C3
220u
DIG
C1
+
C2
100n SMD 1 2 3 4 5 6 7 8
10u SMD
+
C4
100n SMD 1u SMD
C35 J310
1u SMD
T2
BC848C
1u SMD
R22
R24
R25
150R
R28
R19
1K5
100K
100K
R1
R2
47R
1M
DR1
A B C Drehimpulsgeber
C6
4n7 SMD
C7
470n SMD
24 P1.0/INT0 25 P1.1/INT1 26 P1.2/INT2 27 P1.3/TCL0 28 P2.0/TCLO0 29 P2.1 30 P2.2/CL0 31 P2.3/BUZ 32 P3.0/LCDCK 33 P3.1/SCDSY 34 P3.2 35 P3.3 SCLK SDATA FSYNC 36 P4.0 37 P4.1 38 P4.2 39 P4.3 40 P5.0 41 P5.1 42 P5.2 43 P5.3 44 P6.0/KS0 45 P6.1/KS1 46 P6.2/KS2 47 P6.3/KS3 48 P7.0/KS4 49 P7.1/KS5 50 P7.2/KS6 51 P7.3/KS7 16 17 18 TEST XTIN XTOUT
C43
2K7
Frequenz
390R
FSYNC
R4
C9
8p2 SMD 39p SMD
C10
39p SMD
C11
8p2 SMD
470R
MCLK SCLK 10n SMD SDATA
FS ADJ REF IN REF OUT DVDD DGND MCLK SCLK SDATA
COMP AVDD IOUT AGND PSEL0 PSEL1 FSEL FSYNC
16 15 14 13 12 11 10 9
C5
10n SMD
1n SMD
L4
4u7 SMD
Filter
L3
4u7 SMD
L2
4u7 SMD
R3
C8
1M
10u Tantal
IC5
10u Tantal
C37
AD9835
DDS-Chip
C12
4n7 SMD
C36 +5V IC6
4 5 2u2 6 SMD
IC4
7 3 2 1 6 SCL 5 SDA FM24C04
&
B
74HC132
R8
27K
390R
R7
Digital Out
8
IC7 Offset
10K
2
R6
Amplitude
Analog Out +
6
IC6
1 DIG 2
IC6
R13
&
A
74HC132
3
10 9
&
C
74HC132
R11
22R
ST5
A +
AD811
R10
47R
ST7
R29
150K
EEPROM
3
ST6
C42
ST8
R23
R21
13 12
27K
IC6
&
D
74HC132
11
100n
Komparator +5V R14
xxx
-5V +5V PRG1 Q2
2 TEST
Prog. TA1 TA2 TA3
R15
xxx
R16
xxx
+5V
TEST
150R
R17
0R
C14 C16 C17
100n SMD 100n SMD
+ C15
10u 63V 100n SMD
C18
100n SMD
C19
100n SMD
50 MHz 4 Quarz Oszillator 3
MCLK RESET
R18
ELV20292
Prozessor
4.194304MHz
C20
27p SMD
C21
27p SMD
U+
ST1 C22 ST2 ST3 C25
IN
IC1 7805
GND
+5V
OUT
C23
C24
100n ker
+
100u 16V
+5V +5V L5
8
100n ker
C31
14
C32
100n
+
10u 63V
C26
100n ker
GND
C27
100n ker
+
100u 16V
IC4 -5V
FM24C04 4
C28
100n SMD
12
470n
IC3
KS57C2308 13
C29
100n SMD
IC6
74HC132 7
C30
100n SMD
7
IC7
AD811 4
ST4
U-
IN
IC2 7905
C33
C34
100n
OUT
+
10u 63V
-5V
Bild 6: Schaltbild des DDS-Boards
mit R 10 einen Ausgangswiderstand von 50 gewährleistet. Die AC-Kopplung ist notwendig, da sich das DDS-Ausgangssignal, wie bereits erläutert, nicht symmetrisch zur Nulllinie, sondern oberhalb der Nulllinie befindet. Die untere Grenzfrequenz der Endstufe liegt aufgrund von C 36 und R 29 bei 0,41 Hz, die obere Grenzfrequenz beträgt ca. 15 MHz. Da das Sinussignal ACgekoppelt auf die Endstufe übertragen wird, ist es notwendig, den DC-Arbeitspunkt der Endstufe vorzugeben. Um weiterhin Offsetspannungen und Eingangsströme zu kompensieren, wird mit Hilfe des Spannungsteilers R 7, R 13, R 21 eine DC-Spannung vorgegeben, die dann über R 29 auf die Endstufe geführt wird. Somit lässt sich der DC-Arbeitspunkt der Endstufe exakt auf 0 V einstellen.
Zur Signalaufbereitung für den Digitalausgang (TTL-kompatibel) wird das Sinussignal zunächst hinter dem Tiefpassfilter hochohmig und kapazitätsarm über einen Fet-Stufe gepuffert. Diese ist mit T 1 (J 310) und Peripherie aufgebaut. Das am SourceAnschluss anstehende Signal gelangt über
die beiden Koppelkondensatoren C 35 und C 40 auf die Verstärkerstufe T 2 (BC 848C), die in Emitterschaltung arbeitet. Am Kollektor steht das verstärkte Signal zur Verfügung, das über C 38 auf den Eingang des Schmitt-Trigger-Gatters IC 6 A (74 HC 132) gelangt. Die nachfolgenden Gatter
Bild 7: Frequenzgang des Tiefpassfilters 7ter Ordnung
6
22K
Q1
Vpp VDD SDAT SCLK Reset Vss
Ansicht der fertig bestückten Platine des DDS-Boards mit zugehörigem Bestückungsplan von der Bestückungsseite
ELV 02292
IC 6 B, C und D sind parallel geschaltet und gewährleisten zusammen mit R 11 einen Ausgangswiderstand von 50 . Die Schaltung erfordert eine Versorgungsspannung von + 5 V und - 5 V (je 100 mA), die über die beiden Festspannungsregler IC 1 (7805) und IC 2 (7905) stabilisiert wird. Soll lediglich das Rechtecksignal genutzt werden, benötigt die Schaltung nur die positive Versorgungsspannung von +5 V. Nachbau Die Platine ist hauptsächlich mit SMDKomponenten und mit einigen bedrahteten Bauelementen zu bestücken. Der Aufbau der Schaltung sollte aufgrund der verwendeten miniaturisierten Bauelemente mit hoher Sorgfalt von geübten Elektronikern durchgeführt werden. Gerade bei der Montage der SMD-Komponenten empfiehlt sich die Verwendung eines Lötkolbens mit bleistiftspitzer Spitze, auf sauberes Löten ist unbedingt zu achten. gerade bei der Montage von DDS-Chips entstehen leicht Lötzinnbrücken! Kontrollieren Sie die Montage ggf. mit einer Lupe o. ä. SMD-Bestückung Die 154 x 64 mm messende doppelseitige Platine wird unter Zuhilfenahme von Bestückungsplan, Platinenfoto und Stückliste zunächst mit den SMD-Bauelementen bestückt. Vor der Bestückung eines
Bauteils ist das entsprechende Pad leicht zu verzinnen. Anschließend wird das Bauteil mit einer Pinzette vorsichtig platziert und festgehalten. Dann erfolgt das Verlöten von zunächst nur einem Anschlusspin. Ist die Position korrekt, sind die restlichen Anschlüsse zu verlöten. Bitte gehen Sie unter Einhaltung folgender Reihenfolge vor: 1. SMD-Widerstände ohne R 14 - R 16 2. SMD-Kondensatoren ohne C 1 und C 3 3. SMD-Transistoren 4. IC 6 und IC 4, bitte Polung beachten (die Punktmarkierung am IC kennzeichnet Pin 1) 5. IC 5 und IC 3, bitte Polung beachten 6. L 1 bis L 5 7. C 1 und C 3, bitte Polung beachten (die mit einem Querstrich gekennzeichnete Seite ist der Pluspol) Einbau der restlichen Bauelemente Nach Komplettierung der SMD-Bestückung sind folgende weitere Bauteile unter Einhaltung der genannten Reihenfolge zu montieren: 1. C 22, C 23, C 25, C 26 2. R 10, R 11, Q 1 (von der Unterseite), Q2 3. IC 1 und IC 2 ( jeweils mit M3-Schraube, Zahnscheibe und Mutter vor dem Verlöten befestigen). 4. Alle Elkos liegend, bitte Polung beachten
5. TA 1 bis TA 3 (mit Tastkappen) und DR 1 6. Lötstifte ST 1 bis ST 8 Damit ist die Bestückung so weit fertiggestellt, es folgt der Einbau des Displays. Von diesem ist zunächst die Schutzfolie vorsichtig zu entfernen. Man legt das Display in die Displayscheibe ein, der Anguss des Displays (Verdickung an einer Seite) muss sich dabei in der entsprechenden Aussparung der Displayscheibe befinden. Die Displayscheibe mit eingelegtem Display ist mit der dem Anguss gegenüberliegenden Seite voran seitlich in die Seite des Displayrahmens zu schieben, an der sich keine Rastnase befindet. Nach dem vollständigen Einschieben rastet die Displayscheibe im Displayrahmen ein. Jetzt sind die beiden Leitgummis in die entsprechenden Aussparungen des Displayrahmens zu legen. Der so vormontierte Rahmen wird, mit dem Anguss des Displays nach links weisend, auf der Platine platziert und mit 6 Kunststoffschrauben 2,2 x 5 mm fixiert. Damit ist die Platine für die Ausgabe von Rechtecksignalen fertiggestellt. Sollen ebenfalls Sinussignale generiert werden, sind noch die Sinussignal-Endstufe AD 811 und das Poti zur Amplitudeneinstellung zu montieren. IC 7 ist unter Beachtung der Einbaulage (Pin 1 des ICs ist mit einer Punktmarkierung versehen) einzusetzen und zu verlöten. Die Anschlussbeine des Potis werden 7
Ansicht der fertig bestückten Platine des DDS-Boards mit zugehörigem Bestückungsplan von der Lötseite
zunächst in Richtung der Poti-Achse um 90° abgewinkelt. Dann folgt der Einbau, indem die Poti-Achse von der Lötseite durch das Loch in der Platine geschoben wird. Das Poti ist mit der Mutter von der Platinenoberseite zu sichern, bevor die Anschlussbeine in den entsprechenden Bohrungen verlötet werden. Das DDS-Board benötigt eine Versorgungsspannung im Bereich von ± 7 V bis 12 V (je 100 mA). Vor dem Anschließen der Versorgungsspannung ist die korrekte Bestückung zu überprüfen, eventuell vorhandene Lötbrücken sind zu entfernen. Nach
dem Anlegen der Versorgungsspannung führt der Prozessor zunächst einen Segmenttest durch, d. h. alle Segmente sind für 3 Sekunden aktiv. Dann folgt der normale Anzeigemodus. Hinweis: Nach der ersten Inbetriebnahme ist zunächst ein Programmierdurchgang für die Defaultwerte erforderlich, damit der DDS-Chip ein Signal ausgibt. Betätigen Sie dazu die Taste ,,Prog" länger als 2 Sek. und bestätigen Sie nacheinander die angezeigten Defaultwerte mit der ,,Prog"-Taste. Ist die Bestückung korrekt ausgeführt, stehen jetzt sowohl das
Sinus- als auch das Rechtecksignal zur Verfügung. Mit R 13 ist der DC-Offset des Sinussignals auf 0 V einzustellen. Hinweis: Um die EMV-Anforderungen hinsichtlich Störaussendungen zu erfüllen, bitte folgende Maßnahmen durchführen: - Das Abschirmgehäuse ist entsprechend abzuwinkeln und an den vom Lötstopplack befreiten Flächen zu verlöten. - Die Anschlussleitungen der Boards sollten nicht länger als 20 cm und je 3 mal um den beiliegenden Ferritkern gewickelt werden.
Stückliste: 20-MHz-DDS-Board DDS 20
Widerstände: 0 /SMD ...................................... R17 22 .............................................. R11 47 .............................................. R10 47 /SMD .................................... R28 150 /SMD ......................... R23, R24 390 /SMD ............................. R4, R8 470 /SMD .................................. R27 1,5k /SMD ................................. R25 2,7k /SMD ................................... R3 6,8k /SMD ................................. R26 22k /SMD .................................. R18 27k /SMD ........................... R7, R21 100k /SMD ........................... R1, R2 150k /SMD ................................ R29 1M /SMD ................. R19, R20, R22 PT10, liegend, 10k ................... R13 Kondensatoren: 8,2pF/SMD ........................... C8, C11 27pF/SMD .......................... C20, C21 8 39pF/SMD ............................ C9, C10 1nF/SMD ..................................... C37 4,7nF/SMD ........................... C6, C12 10nF/SMD ............................ C5, C43 100nF/ker .......... C22, C23, C25, C26 100nF/SMD ........... C2, C4, C15-C19, C28-C31, C33, C41, C42 470nF/SMD ................................... C7 1F/SMD .................... C35, C38, C39 2,2F/SMD .................................. C36 10F/16 V/tantal/SMD ........... C1, C3 10F/63V ................... C14, C32, C34 100F/16V ......................... C24, C27 220F/25V .................................. C40 Halbleiter: 7805 .............................................. IC1 7905 .............................................. IC2 ELV20292/SMD .......................... IC3 24C04/ SMD ................................ IC4 AD9835BRU/SMD ...................... IC5 74HC132/SMD ............................ IC6 J310/SMD ..................................... T1 BC848C ......................................... T2 LC-Display ............................... LCD1 Sonstiges: Quarz, 4,194304MHz, HC49 U70/U4 Q1 Quarzoszillator, 50MHz ................ Q2 SMD-Induktivität, 10H ............... L1 SMD-Induktivität, 4,7H ........ L2-L4 SMD-Induktivität 470 nH ............. L5 Mini-Drucktaster, B3F-4050, 1 x ein .............................. TA1-TA3 3 Tastkappen Inkrementalgeber ........................ DR1 Lötstifte mit Lötöse ............. ST1-ST8 2 Zylinderkopfschrauben, M3 x 8 mm 6 Kunststoffschrauben, 2,2 x 5 mm 2 Muttern, M3 2 Fächerscheiben, M3 1 Display-Scheibe 1 Displayrahmen 2 Leitgummis 1 Ferritkern 1 Abschirmgehäuse