20-MHz-DDS-Board DDS 20

20-MHz-DDS-Board DDS 20
Bau- und Bedienungsanleitung
Best.-Nr.: 47138
Version 4.0,
Stand: Mai 2003
20-MHz-DDS-Board
DDS 20
Technischer Kundendienst
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kostengünstig wie möglich instand gesetzt. Im Sinne einer schnellen Abwicklung führen wir die Reparatur sofort durch, wenn die Reparaturkosten den
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1
Bau- und Bedienungsanleitung
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 (ω • t)
beschreiben. Dieser periodische Kurvenverlauf lässt sich digital durch Ausgabe
von entsprechenden Digitalwerten (Abtastwerte einer Sinusschwingung) auf einem Digital- Analogwandler erzeugen. Die
2
Phase einer Sinusschwingung (ω • t) reicht
von 0° bis 360° (im Winkelmaß) bzw. von
0 bis 2 π(im Bogenmaß). Sie läuft rampenförmig von 0 bis 2 π 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 π.
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 π 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-
Technische Daten: DDS 20
Sinussignal
Frequenzbereich: ........................................................................ 0,1 Hz bis 20 MHz
Ausgangsspannung: .............................................................. 0 V bis 4 Vss, RI=50 Ω
Nebenwellenabstand: ............................................................ ca. 50 dB bis 10 MHz
Rechtecksignal
Bereich: ...................................................................................... 0,5 Hz bis 20 MHz
Ausgangsspannung: ........................................................ 5 Vss, RI=50 Ω,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
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-
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
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:
signals nach folgender Formel berechnet
werden:
fa = 1/Ta, mit: Ta = Anzahl der Phasensprünge pro Ausgangssignalperiode •
Tt und Tt = 1/ft, ft = Taktfrequenz des
Systems
Somit besitzt der Synthesizer zwei digitale, frequenzbestimmende Eingänge, nämlich die Taktfrequenz und den Phasensprung „Delta-Phase“. Damit bestimmen
fa = 1/Ta = „Delta Phase“ / (232•ft)
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
3
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
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-
Bild 5: Spektrum des Ausgangssignals
4
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
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-
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 „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.
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
+5V
44
P6.0/KS0
45
P6.1/KS1
46
P6.2/KS2
47
P6.3/KS3
Prog.
TA1
TA2
48
P7.0/KS4
49
P7.1/KS5
50
P7.2/KS6
51
P7.3/KS7
+5V
TA3
16
17
TEST
18
VCL0
VCL1
VCL2
BIAS
XOUT
XIN
TEST
XTIN
XTOUT
Prozessor
U+
IN
IC1
7805
C22
C24
100n
ker
C25
C26
100n
ker
IN
ST4
U-
GND
IC2
1M
R20
R27
470R
+
R6
470R
1M
R19
47R
R28
R24
150R
R22
1K5
8p2
SMD
Amplitude
C36
+5V
4
SMD
2u2
&
5
R8
6
B
Digital Out
74HC132
IC6
1
DIG
2
390R
IC7
IC6
&
3
10
&
9
A
74HC132
8
22R
C
IC6
&
12
R29
3
150K
11
100n
A
+
6
R10
ST7
47R
+
AD811
ST8
D
74HC132
Komparator
R14
R15
R16
xxx
xxx
xxx
-5V
C14
C16
Q1
C17
100n
SMD
C18
100n
SMD
+ C15
10u
63V
100n
SMD
TEST
2
50 MHz
4
Quarz
Oszillator
C19
100n
SMD
+5V
PRG1
Q2
R17
0R
Analog Out
-
C42
ST6
74HC132
13
2
Offset
ST5
R11
100n
SMD
MCLK
RESET
3
Vpp
VDD
SDAT
SCLK
Reset
Vss
4.194304MHz
C20
C21
27p
SMD
C27
100n
ker
+5V
+
+5V
100u
16V
L5
8
+
100u
16V
OUT
IC4
-5V
FM24C04
4
12
C28
IC3
100n
SMD
KS57C2308
13
470n
C29
C31
14
IC6
100n
SMD
74HC132
7
7
C30
100n
SMD
AD811
4
7905
mit R 10 einen Ausgangswiderstand von
50 Ω 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.
Bild 7: Frequenzgang des
Tiefpassfilters 7ter Ordnung
C32
100n
IC7
C33
C34
100n
-5V
6
C11
39p
SMD
+5V
C23
GND
ST3
C10
39p
SMD
OUT
100n
ker
ST2
C9
8p2
SMD
+5V
27p
SMD
ST1
L2
4u7
SMD
IC6
LC-Display
9
10
11
8
14
15
ELV20292
C8
DDS-Chip
L3
R23
EEPROM
C37
1n
SMD
4u7
SMD
150R
FM24C04
FSYNC
AD9835
Filter
L4
4u7
SMD
22K
40
P5.0
41
P5.1
42
P5.2
43
P5.3
10n
SMD
R18
6
SCL
5
SDA
36
P4.0
37
P4.1
38
P4.2
39
P4.3
1u
SMD
C5
R7
7
3
2
1
SCLK
SDATA
FSYNC
COMP
AVDD
IOUT
AGND
PSEL0
PSEL1
FSEL
FSYNC
1u
SMD
100n
SMD
1u
SMD
BC848C
27K
IC4
MCLK
SCLK
10n
SMD SDATA
FS ADJ
REF IN
REF OUT
DVDD
DGND
MCLK
SCLK
SDATA
16
15
14
13
12
11
10
9
DIG
T2
C35
J310
10K
4n7
SMD
100n
SMD
C38
220u
C4
10u
Tantal
IC5
1
2
3
4
5
6
7
8
+
R13
32
P3.0/LCDCK
33
P3.1/SCDSY
34
P3.2
35
P3.3
C12
C43
100n
SMD
C3
27K
Frequenz
28
P2.0/TCLO0
29
P2.1
30
P2.2/CL0
31
P2.3/BUZ
10u
Tantal
T1
C39
10u
SMD
C2
R21
470n
SMD
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
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
+
R4
24
P1.0/INT0
25
P1.1/INT1
26
P1.2/INT2
27
P1.3/TCL0
C7
4n7
SMD
Drehimpulsgeber
P0.2/SO
P0.3/SI
R3
R2
C6
COM0
COM1
COM2
COM3
C1
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
4
5
6
7
2K7
A
B
C
100K
R1
100K
DR1
L1
LCD1
¯¯¯¯¯¯
RESET
P0.0/INT4
¯¯¯¯
P0.1/SCK
1M
IC3
19
20
21
22
23
RESET
C41
C40
+5V
R25
+5V
390R
+5V
6K8
R26
Verstärker
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
+
10u
63V
+
10u
63V
Bild 6: Schaltbild des
DDS-Boards
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
Ansicht der
fertig bestückten Platine des
DDS-Boards
mit zugehörigem
Bestückungsplan von der
Bestückungsseite
IC 6 B, C und D sind parallel geschaltet und
gewährleisten zusammen mit R 11 einen
Ausgangswiderstand von 50 Ω.
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
ELV
02292
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:
0Ω/SMD ...................................... R17
22Ω .............................................. R11
47Ω .............................................. R10
47Ω/SMD .................................... R28
150Ω/SMD ......................... R23, R24
390Ω/SMD ............................. R4, R8
470Ω/SMD .................................. R27
1,5kΩ/SMD ................................. R25
2,7kΩ/SMD ................................... R3
6,8kΩ/SMD ................................. R26
22kΩ/SMD .................................. R18
27kΩ/SMD ........................... R7, R21
100kΩ/SMD ........................... R1, R2
150kΩ/SMD ................................ R29
1MΩ/SMD ................. R19, R20, R22
PT10, liegend, 10kΩ ................... 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
1µF/SMD .................... C35, C38, C39
2,2µF/SMD .................................. C36
10µF/16 V/tantal/SMD ........... C1, C3
10µF/63V ................... C14, C32, C34
100µF/16V ......................... C24, C27
220µF/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, 10µH ............... L1
SMD-Induktivität, 4,7µH ........ 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
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