Генератор на PIC16F84A и AD9850

Измерительные генераторы, в которых требуемое значение частоты устанавливают с помощью клавиатуры, читателям журнала известны (см., например, статью Пискаева А. "Частотомер-генератор-часы" в "Радио", 2002, № 7, с. 31, 32). Как правило, эти приборы выполнены на микроконтроллере, диапазон генерируемых частот ограничен несколькими мегагерцами, а получение точного значения частоты невозможно. Описываемый в статье генератор тоже содержит микроконтроллер, но использован он только для управления специализированной микросхемой — синтезатором частоты AD9850. Применение этой микросхемы позволило расширить диапазон генерируемых частот от долей герца до 60 МГц, в пределах которого можно получить любое значение частоты с точностью 1 Гц.

Предлагаемый генератор выполнен на базе микросхемы AD9850 фирмы Analog Devices, представляющей собой полный DDS (Direct Digital Synthesis) синтезатор частоты с встроенным компаратором. Такие синтезаторы уникальны своей точностью, практически не подвержены температурному дрейфу и старению (единственным элементом, который обладает свойственной аналоговым устройствам нестабильностью, является цифроаналоговый преобразователь). Благодаря высоким техническим характеристикам DDS синтезаторы в последнее время вытесняют обычные аналоговые синтезаторы частоты. Их основ­ное преимущество — очень высокое разрешение по частоте и фазе, управление которыми осуществляется в цифровом виде. Цифровой интерфейс позволяет легко реализовать микро­контроллерное управление. С более подробным описанием принципов прямого цифрового синтеза частоты можно познакомиться, например, в [1].

Рис.1

Структурная схема синтезатора AD9850 изображена на рис. 1. Его основа — аккумулятор фазы, формирующий код мгновенной фазы выходного сигнала. Этот код преобразуется в цифровое значение синусоидального сигнала, который с помощью ЦАП пре­вращается в аналоговый и подвергается фильтрации. Компаратор позволяет получить выходной сигнал прямоугольной формы. Его частота fout (в герцах) определяется формулой f_out = A_fin/232, где f_m — тактовая частота, Гц; А — 32-битное значение кода частоты. Мак­симальное значение f^ не может превосходить половины тактовой частоты.

Основные технические характеристики AD9850 (при напряжении питания 5В)

Частота тактового генератора                                                                            1…125

Максимальный потребляемый ток (при f_in=125 Мгц), мА                               95

Число разрядов ЦАП                                                                                             10

Максимальный выходной ток ЦАП (при R_set=3,9 кОм), мА                             10,24

Максимальная интегральная нелинейность ЦАП, МЗР                                  1

Напряжение на выходе компаратора, В:

минимальное высокого уровня                                                               4,8

максимальное низкого уровня                                                                 0,4

Для загрузки данных в микросхеме AD9850 предусмотрены параллельный и последовательный интерфейсы. В последнем случае данные (слово длиной 40 бит) вводят через ее вход D7. Каждый бит данных сопровождают импульсом положительной полярности на входе синхронизации W_CLK. После загрузки управляющего слова по импульсу положительной полярности на входе FQJJD происходит замена параметров генерации новыми. Назначение битов управляющего слова приведено в табл. 1.

Принципиальная схема генератора изображена на рис. 2. Управляет синтезатором DD2 микроконтроллер DD1.

Рис.2

Он опрашивает клавиатуру SB1—SB16, выводит информацию на ЖК индикатор HG1, вычисляет значение кода частоты и передает его по последовательному интерфейсу в синтезатор DD2. Звукоизлучатель НА1 служит для подтверждения нажатия кнопок клавиатуры. Микросхема AD9850 (DD2) использована в стандартном включении. На выходе ее ЦАПа включен фильтр Z1. После фильтра сигнал синусоидальной формы подается на гнездо XW2 и на вход компаратора микросхемы DD2 (вывод 16). С выхода последнего сигнал прямоугольной формы поступает на гнездо XW1. В качестве тактового генератора для DDS применен кварцевый генератор G1. Подстроечным резистором R7 регулируют контрастность изображения на индикаторе HG1.

Управляют генератором с помощью клавиатуры, состоящей из кнопок SB1—SB16. Поскольку все линии порта В, являющиеся входными, подключены к источнику питания через резисторы, необходимости во внешних резисторах, "подтягивающих" порты RB4 -RB7 к линии питания, нет. Резисторы R3—R6 защищают выходы микроконтроллера от перегрузки при случайном нажатии нескольких кнопок одновременно.
Требуемую частоту устанавливают с клавиатуры. Для этого, нажимая на кнопки с соответствующими цифрами, вводят нужное значение (в герцах) и нажимают кнопку "*". Если частота не превышает максимально допустимой, на индикаторе на короткое время появляется сообщение "ОК" и генератор переходит в рабочий режим, а если превышает, — сообщение "Error". В этом случае нужно нажать кнопку "С" ("Сброс") и заново набрать правильное значение. Точно так же поступают и при ошибке в процессе ввода частоты. Двукратное нажатие этой кнопки переводит прибор в рабочий режим с установленным ранее значением частоты.

В рабочем режиме в крайнем правом знакоместе индикатора мигает символ звездочки. Если текущее значение частоты введено с внешнего блока управления (например, с компьютера), то чтобы вернуться к частоте, отображаемой на индикаторе, достаточно нажать кнопку "*".
Кнопки "U" (Up — вверх) и "D" (Down — вниз) позволяют ступенчато изменять выходную частоту генератора, соответственно увеличивая или уменьшая значение десятичного разряда на единицу. Требуемый десятичный разряд выбирают, перемещая курсор кнопками "L" (Left — влево) и "R" (Right — вправо).
При нажатии кнопки "*" значение частоты и позиция курсора сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера, благодаря чему при следующем включении питания прерванный режим работы автоматически восстанавливается .

 Поскольку вычислительные способности микроконтроллера ограничены, значение выходной частоты выставляется с точностью около 1 Гц, что достаточно для большинства случаев. Чтобы в полной мере реализовать возможности синтезатора, им можно управлять с помощью ПК. Для этого генератор необходимо доработать, дополнив его узлом, схема которого показана на рис. 3. ПК (или иное управляющее устройство) подключают к розетке
XS1. При низком логическом уровне на адресных входах А мультиплексоры микросхемы DD3 подключают входы управления синтезатором к микроконтроллеру DD1, а при высоком — к внешнему устройству. Сигналы управления поступают через контакт "ENABLE" розетки XS1. Резистор R19 обеспечивает низкий логический уровень на адресных входах DD3 при неподключенном устройстве управления.
Генератор собран и испытан на макетной плате. Если не удастся приобрести плату под корпус SSOP для микросхемы DD2, можно использовать для подключения ее выводов к соответствующим контактным площадкам короткие (длиной 10 15 мм) отрезки луженого провода диаметром 0,2 мм. Выводы 1,2,5,10,19, 24, 26, 27, 28 соединяют с общим проводом одним отрезком большей длины.
ЖК индикатор HG1 - 1ТМ1601 (16-символьный однострочный с встроенным контроллером). НА1 — любой пьезоэлектрический излучатель звука с встроенным генератором, рассчитанный на напряжение 5 В. В качестве тактового генератора (G1) можно использовать микросборку кварцевого генератора на частоту до 125 МГц, допустимо применение подобного узла с кварцевой стабилизацией и на дискретных элементах.
Управляющая программа микроконтроллера зависит от частоты тактового генератора.
При программировании микроконтроллера в конфигурационном слове устанавливают следующие значения битов: тип генератора (OSC) — RC. сторожевой таймер (WDT) — выключен, задержка после включения питания (PWRTE) — разрешена.

ЛИТЕРАТУРА
1.  Ридико Л. DDS: прямой цифровой синтез частоты — Компоненты и технологии. 2001.№ 7. с. 50—54.
2.  AD9650, Complete DDS Synthesizer —  http://www-analog.com

Автор С. КУЛЕШОВ, Журнал 2004 №3