На сайте Радиолоцман опубликовано много схем генераторов сигналов с прямым цифровым синтезом (DDS). Все они имеют различную схемотехнику, некоторые из них сложные, выполненные на ПЛИС или специализированных микросхемах, некоторые простые – на одном микроконтроллере. Данная статья посвящена возможным усовершенствованиям аналоговой части DDS генератора на микроконтроллере Atmel AVR ATmega16.
При повторении данной конструкции было много дискуссий по формированию и нормированию сигнала в аналоговой части генератора. Самый первый аргумент – операционный усилитель LM358 является не самым лучшим выбором для этой цели. Второй аргумент – выходной синусоидальный сигнал не является достаточно гладким.
Как вы видите, это действительно так, имеются некие провалы на синусоиде. Другие сигналы, формируемые нашим DDS генератором, также испытывают искажения, и особенно при выборе более высокого выходного напряжения. Это, безусловно, требует усовершенствования аналоговой части генератора. Были предложения заменить LM358 на OPA2134, но это в большинстве случаев экономически не выгодно. Применение малошумящего операционного усилителя общего назначения будет оптимальным вариантом. К примеру, малошумящий усилитель Texas Instruments TL074 имеет низкое потребление, высокую скорость нарастания выходного напряжения (13 В/мкс), он почти в пять раз быстрее LM358, но имеет доступную цену.
Если вы посмотрите на аналоговую часть DDS генератора, на схему регулировки смещения и управления усилением, вы увидите ошибку. Мы настраиваем смещение до регулировки амплитуды, а, как правило, регулировка смещения должна происходить после усиления сигнала. Еще один момент данной схемы – смещение можно регулировать в диапазоне 5 В, в то время как мы могли бы получить диапазон –12 В…+12 В. Давайте усовершенствуем аналоговую часть для получения лучших результатов.
Установка нулевого напряжения смещения
На первом этапе модернизации аналоговой части DDS генератора, мы можем изменить схему управления смещением таким образом, чтобы напряжение смещения сигнала было равно 0. Например, если мы генерируем синусоидальный сигнал на выходе ЦАП, мы получаем максимальную амплитуду сигнала равную 2.5 В с постоянным напряжением смещения 2.5 В. Вместо использования потенциометра POT1 мы можем рассчитать номинал резистора делителя, так, чтобы на выходе получить смещение 0 В. Если мы считаем, что все сигналы, поступающие от микроконтроллера, имеют смещение 2.5 В (при напряжении питания 5 В), то сможем смоделировать следующую схему:
Расчет прост: мы знаем, что источник напряжения Vss = 2.5 В, выходное напряжение Vo = 0 В. Коэффициент усиления, который нужен нам, равен 1 (–1 для инвертирующего усилителя). Таким образом, на входе инвертирующего усилителя мы получаем напряжение:
Из анализа операционных усилителей мы знаем, что V– = V+, и токи на обоих входах равны нулю (I– = I+ = 0). Таким образом, мы должны иметь напряжение источника V3 = 1.25 В, поэтому нужно выбрать делитель напряжения для понижения напряжения от 5 В до уровня 1.25 В. Для этого мы используем резистор R3 с фиксированным сопротивлением 100 кОм и можем вычислить значение cопротивления резистора R4:
Полученное значение 33.33 кОм мы можем получить соединив последовательно два резистора 33 кОм и 330 Ом, что даст в результате напряжение смещения близкое к 0 В.
Дополнительный фильтр
На втором этапе модернизации мы собираемся включить в схему дополнительный фильтр. Так как DDS генератор сигналов способен выводить различные типы сигналов, данный фильтр не должен быть постоянно включен в схему. К примеру, если мы генерируем синусоиду, то фильтр можно использовать для сглаживания ее, но для меандра этот фильтр отрицательно скажется скруглением формы сигнала. Поэтому нужно добавить обходной переключатель, который позволит включать или обходить фильтр при необходимости. Какой же фильтр мы будем использовать для этой цели? В схеме смещения мы использовали один канал операционного усилителя TL074, поэтому мы можем реализовать активный фильтр.
Автор считает, что оптимальным вариантом будет фильтр Баттерворта (Саллена-Кея) – фильтр нижних частот, т.к. его АЧХ максимально гладкая на частотах полосы пропускания и снижается практически до нуля на частотах полосы подавления. Давайте выберем параметры для этого фильтра. Частоты DDS генератора в нашем случае не будут превышать 100 кГц и нам нужно ослабление частот подавления, близкое к 0 дБ. Итак, увеличим частоту спада до 200 кГц, это значение будем применять в расчетах.
Номиналы резистора и конденсатора фильтра можгут быть определены по следующим выражениям:
Если мы выберем R1 = R2 = 33 кОм (распространенные резисторы), то С2 можно вычислить по следующей формуле:
Следовательно, самое близкое стандартное значение конденсатора C1 = 33 пФ. Все расчеты можно провести онлайн – калькулятор фильтра нижних частот Саллена-Кея.
Часть 2 – Управление амплитудой сигнала, регулировка смещения сигнала и результирующая схема аналоговой части DDS генератора.
