DDS синтезатор AD9833

Эпиграф

Понадобился мне, в мойх поделках, генератор сигналов различной формы, а именно: синус, меандр, треугольник ну и плюс постоянное напряжение (но это уже другой вопрос), да не простой а чтобы занимал мало места на плате а главное программно управляемый. После недолгого гугления наткнулся на семейство DDS синтезаторов от Analog Devices, которые все это в себе совмещают (кроме постоянного напряжения). Три из четырех очень неплохо (подумал я) и прикупил парочку.

Принципы работы DDS синтезаторов частоты

DDS — принцип не новый, а значит теории по этому вопросу в инете и не только — навалом. Лично мне хватило пары статей, чтобы «войти в курс дела». Одну из них, со скромным названием «All About Direct Digital Synthesis», можно почитать на сайте Analog Devices. Для тех кто не дружит с английским языком, есть перевод данной статьи.

Почему AD9833?

У этого DDS синтезатора есть ряд преимуществ, по сравнению со своими собратьями: низкая стоимость, малое потребление, последовательный интерфейс обмена данными (всего три проводка), простые команды и вычисления, минимальный обвес AD9833, относительно высокая точность выходного сигнала (10-битный ЦАП, 28-битный фазовый аккумулятор, который позволяет получить выходной сигнал с точностью до 0.1 Гц, при максимальном тактирующем сигнале в 25.0 МГц), отличное соотношение Сигнал/Шум без применения какой либо фильтрации ~ 60dB. Также AD9833 обладает несколькими режимами энергосбережения, что тоже не маловажно.


Описание схемы


Рис.1 Цоколевка AD9833

Как видно из цоколевки, разработчики буквально поделили AD9833 на две части: первая часть — управляющая, в которую входят линии ввода команд/данных, тактирующий и выходной сигналы, и вторая часть отвечающая за питание ИС. Поскольку я впервые имел дело с AD9833, то решил сделать отдельный подопытный модуль, плюс такой модуль обладает большой мобильностью и при желании его можно использовать в нескольких проектах, а также легко локализовать и исправить неполадки (разделяй и властвуй). На рис.2 показана схема сего модуля, в которой все управляющие линии, выходной сигнал и питание собраны в коннекторе CONN1 (этакий интерфейс), через который он будет общаться с управляющей частью.


Рис.2 Схема тестового модуля

Основные требования к модулю

Как было упомянуто раньше, AD9833 очень неприхотливая ИС и для того чтобы получить готовый выходной сигнал ей нужны буквально пара конденсаторов, тактовый генератор и операционный усилитель, поскольку необработанный выходной сигнал составляет ~0.65V (peak-to-peak), плюс небольшой оффсет ~40mV, в режимах с использованием ЦАП'a.

Тактовый генератор — в качестве источника тактового сигнала следует выбрать резонатор со встроенным генератором (Crystal Clock Oscillator), обычный кварц здесь не подойдет.

CAP/2.5V — при напряжении питания больше 2.7V, к этому пину надо подключить конденсатор в 100 нФ (на рис.2 показано перемычкой), в противном случае (напряжение питания меньше 2.7V), этот пин следует подключать напрямую к источнику питания (ставить перемычка между CAP/2.5V и VCC).

Операционный усилитель — при выборе ОУ следует исходить из предусмотренной, максимальной частоты выходного сигнала, генерируемого AD9833. Это означает что амплитудо-частотная характеристика ОУ должна соответствовать (превышать) этой самой максимальной частоте, иначе вместо усиления сигнала получим подавление. Кстати у меня такого ОУ не оказалось, пришлось заказывать парочку высокочастотных. Но к моему счастью, потребности разрабатываемого прибора ограничиваются несколькими килогерцами, так что и низкочастотные ОУ пойдут в дело.

Пример: чтобы обработать выходной сигнал с максимально-возможной частотой, которую способен воспроизвести AD9833, а это MCLK_макс/2 = 12,5 МГц (половина частоты опорного тактирующего сигнала, по закону Найквиста), диапазон рабочих частот ОУ должен быть как минимум 13МГц, а лучше и все 20МГц — кто знает что за ОУ попадется.

Примечания к созданию фильтра нужных низких частот

Как я уже говорил, соотношение Сигнал/Шум у AD9833 приличное и без всякой фильтрации, а поскольку генератор будет работать на очень большом диапазоне частот, то избавиться от оставшихся «хвостов» не получится, если только не использовать программируемый цифровой фильтр, но те что мне встречались работали с частотами до 50..100 КГц (для меня в самый раз, но в остальных случаях не пойдут), так что, по сути, конденсатор C5 является единственным фильтром! Но несмотря на это я все-же использовал фильтр Баттерворта 4-го порядка на 100 КГц, для фильтрации высокочастотного шума исходящего от тактового генератора и управляющей логики (микроконтроллера). Кстати я тут рассусоливаю про фильтрующий конденсатор а сам забыл его вставить в свой подопытный модуль.

Заземление — в общем заземление должно соответствовать всем требованием заземления в системах со смешанными сигналами: заземляющая площадь должна быть как можно больше, цифровая и аналоговая земля должны соединятся только в одной точке. Подробней об этом можно почитать в статье: Заземление в системах со смешанными сигналами.


Рис.3 Подопытный модуль — вид сверху


Рис.4 Подопытный модуль — вид снизу

Программная реализация

В качестве управляющего мк я использовал ATMega16. AD9833 может изменять значение частотных регистров двумя способами: путем последовательной записи двух 14-битных слов (проще говоря записи 28-битного слова), либо записывать по отдельности старших/младших 14-бит (так называемый coarse/fine tuning). Данная библиотека работает только в режиме 28-битного слова, то есть происходит полное обновление значения частотного регистра (все 28-бит).

#define ENABLE(x,y)		 ((x) |= (1<<(y)))
#define DISABLE(x,y)		 ((x) &=~ (1<<(y)))
#define TOGGLE(x,y)		 ((x) ^= (1<<(y)))
#define CHECKBIT(x,y)		 ((x) & (1<<(y)))
#define BIT(x)		 	 (1 << (x))
//-------------------------------
#define SPIBUS			 PORTB
#define DDRSPI			 DDRB
#define SDATA		 	 5
#define SCLK   		         7
#define FSYNC  		         4
//-------------------------------
#define WRITE_TO_FREQ1_REG	 0x8000
#define WRITE_TO_FREQ0_REG	 0x4000
#define WRITE_TO_PHASE1_REG	 0xE000
#define WRITE_TO_PHASE0_REG	 0xC000
//-------------------------------
#define B28			 13 /* 28-BIT/14-BIT WORD, D13 */
#define HLB			 12 /* HIGH/LOW BYTE, D12 */
//-------------------------------
#define USE_FREQ		 11 /* FSELECT, D11 */
#define USE_PHASE		 10 /* PSELECT, D10 */
//-------------------------------
#define RESET			 8  /* D8 */
#define STOP_MCLK		 7  /* SLEEP1, D7 */
#define STOP_DAC		 6  /* SLEEP12, D6 */
#define DISCONNECT_DAC		 5  /* OPBITEN, D5 */
#define DAC_MSB		 	 3  /* DIV2, D3 */
#define BYPASS_SINROM		 1  /* MODE, D1 */
//-------------------------------
#define SINUS			 0
#define TRIANGLE		 1
#define SQUARE			 2
//-------------------------------
#define USE_FREQ0_REG		 0
#define USE_FREQ1_REG		 1
#define USE_PHASE0_REG		 0
#define USE_PHASE1_REG		 1
//-------------------------------
#define POWER_OFF		 0
#define POWER_ON		 1
#define PHASE_RESOLUTION	 1 //10
#define VSUPPLY			 5000//3300

static unsigned int CONTROL_REGISTER; // 16-битная переменная

//-------------------------------
/* AD9833 SEND WORD */
//-------------------------------
void AD9833_word(unsigned data);

//-------------------------------
/* WRITE AD9833 REGISTERs 
  Эта функция используется для записи 
  значения в упраляющий и фазовые регистры AD9833 */
//-------------------------------
void AD9833_write(unsigned data);

//-------------------------------
/* AD9833 SET PHASE
 Устанавливаем фазу в в один из двух фазовых регистров
 Фаза должна быть в градусах: от 0 .. до 360 с точностью в 1 градус 
 Чтобы установить фазу с точностью до 0.1 градус следует поменять 
 значение макроса PHASE_RESOLUTION с 1 на 10 
 после чего устанавливать фазу*10, то есть 
 если хотим установить 22.5 градусов следует записать:
 AD9833_setPhase(WRITE_TO_PHASE0_REG, 225); */
//-------------------------------
void AD9833_setPhase(unsigned REG, unsigned long Phase);

//-------------------------------
/* AD9833 SET FREQUENCE
  Формула по расчету выходной частоты: FREG = (FOUT*2^28)/MCLK,
  где FOUT - желаемая частота
  Частота используемого мной тактового генератора равна MCLK = 12.0 МГц, 
  В следующей функции, коэффициент 2237/100 получился из деления 2^28/12000000 = 22.37
  К примеру если ваш тактовый генератор будет MCLK = 25.0 МГц 
  то коэффициент в формуле следует заменить на 2^28/25000000 = 1073/100 */
//-------------------------------
void AD9833_setFreq(unsigned REG, unsigned long Freq);

//-------------------------------
/* AD9833, CHANGE USED FREQUENCY REGISTER 
  В AD9833 имеются 2 частотных регистра.
  Пока в одном регистре записана текущая частота, 
  можно загнать во второй регистр следующую частоту
  и в нужный момент переключится на нее. Следующая функция
  как раз и используется для переключения между этими двумя
  регистрами при помощи соответстующих макросов */
//-------------------------------
void AD9833_usedFreqReg(unsigned char REG);

//-------------------------------
/* AD9833, CHANGE USED PHASE REGISTER 
  Функция переключения фазовых регистров, 
  аналогична функции переключения между частотными регистрами */
//-------------------------------
void AD9833_usedPhaseReg(unsigned char REG);

//-------------------------------
/* AD9833 Mode Select 
  Функция для изменения формы 
  выходного сигнала: синус (SINUS), треугольник (TRIANGLE), меандр (SQUARE) */
//-------------------------------
void AD9833_mode(unsigned char mode);

BONUS!!!

Как я уже говорил, в моей поделке мне необходим также и ЦАП. Чтобы не цеплять внешний, решил использовать внутрений 10-битный ЦАП AD9833. Следующая функция позволяет использовать AD9833 в качестве простого ЦАП'a. В зависимости от напряжения питания (VSUPPLY) AD9833 можно получать постоянное напряжение от 0 до VSUPPLY. Напряжение питания следует указать в макросе VSUPPLY — в милливольтах. В этой функции используется фазовый регистр № 0.
Описание функции: если кратко то сбрасываем AD9833, тем самым обнуляем все внутренние регистры, устанавливаем частоту в 0.0 Гц и треугольную форму сигнала, чтобы уровень напряжения был в прямой зависимость от значения фазы, а дальше при помощи фазового регистра прибавляем нужную фазу. Также ниже есть график небольшого эксперимента с использованием различных форм сигнала.

//-------------------------------
/* AD9833, USED AS SIMPLE DAC */
//-------------------------------
void AD9833_DAC(unsigned long millivolts); /* millivolts - желаемое напряжение в милливольтах */

Рис.5 Вывод постоянного напряжения с использованием
синусоидальной и треугольной форм сигналов. В одном случае смещение фазы
приводит к смещению по синусоидальной траектории, в другом — по прямой

Эксперимент состоял в определении зависимости и соответсвии подоваемого мной цифрового значения (шаг 500 — который должен был соответствовать 500мВ), и получения на выходе соответствующего значения напряжения. Из графика виден оффсет при использовании внутреннего ЦАП'a: ~0.38mV * K, где К — коэффициент усиления ОУ. Также из графика видно, что я этот самый коэффициент усиления не докрутил до значения при котором можно получить на выходе AD9833 напряжение VSUPPLY. Если подытожить эксперимент, то на выходе получил изменение напряжение с равным шагом (~0.4V) а также прямая зависимость V_OUT от цифры. Так что при последующей реализации сего модуля надо будет предусмотреть компенсацию оффсета, соответствующий коэффициент усиления и не забыть про фильтрующий конденсатор :).

//-------------------------------
/* AD9833 - MCLK and DAC power supply 
  Функция включения/выключения AD9833 */
//-------------------------------
void AD9833_power(unsigned char mode);

//-------------------------------
/* SPI initialization: Master Mode */
//-------------------------------
void spi_init(void);

Ну и на последок функция инициализации. Первым делом следует сбросить все внутренние регистры, затем установить желаемые значения в фазовые и частотные регистры, так как их значение при сбросе не изменяется и по началу там находится мусор. После всех этих операции AD9833 стартует с так называемого midscale значения. Это значение соответствует половине VSUPPLY. Это означает что по умолчанию, AD9833 стартует с 2.5В (VSUPPLY/2), при 90^о — V_OUT равно 5В и так далее по синусоидальной/треугольной траектории. Я же привык чтобы синус стартовал с минимального значения, плюс в случае инициализации AD9833 с частотой 0.0 Гц, не желательно чтобы на выходе AD9833 торчало 2.5V (VSUPPLY/2). Для этого, в используемый фазовый регистр (по умолчанию это регистр № 0) загонаю 270^о градусов, для старта с минимального значения. Во второй «от нечего делать» загнал 180^о градусов. Ну и в конце выбираем форму выходного сигнала.

//-------------------------------
/* AD9833 initialization */
//-------------------------------
void AD9833_init(unsigned char mode, unsigned long Freq);

Рис.6 Траектории со смещением в 270^о и без смещения

Тестируем код

//-------------------------------
// Проект для ATMega16 или любой другой
//-------------------------------
#include "AD9833.h"

// обработчик внешнего прерывания int0
void int0_isr(void)
{// по нажатию кнопки изменяем форму сигнала
 static unsigned char mode;
 AD9833_setFreq(WRITE_TO_FREQ0_REG, 1); // Hz
 AD9833_mode(mode);
 mode++;
 if(mode>2) mode=0;
}

// обработчик внешнего прерывания int1
void int1_isr(void)
{// функция использованная в вышеописанном эксперименте
 static unsigned millivolts;
 AD9833_DAC(millivolts);
 millivolts+=500; // step = 500mV
 if(millivolts>5000) millivolts=0;
}

//-------------------------------
/* INITIALIZATION OF PERIPHERAL DEVICES */
//-------------------------------
void system_setup(void)
{
 asm("cli"); // запретить все прерывания
 PORTB = 0x00;
 DDRB = 0x00;
 AD9833_init(TRIANGLE, 0); /* SET MODE AND FREQUENCY IN Hz */
 MCUCR = 0x0F; /* Rising edge */
 GICR  = 0xC0; // enable int0 and int1 interrupts
 TIMSK = 0x00;
 asm("sei"); // разрешить все прерывания
}

//-------------------------------
void main(void)
{
 system_setup();
 while(1)
 {
 }
}
//-------------------------------
/* THE END */
//-------------------------------

Зубцы на форме выходного сигнала отчасти «работа» осциллографа, ну и конечно сказывается отсутствие фильтрующего конденсатора.

На сайте Analog Devices можно поиграться с AD9834 Interactive Design Tool, хотя AD9833 и AD9834 чуть отличаются.

Скачать статьи по AD9833
Скачать библиотеку по управлению DDS синтезатором AD9833