Generátor funkcí DDS 3.0

Transkript

1 Generátor funkcí DDS 3.0 Úvod Zakoupili jste sadu součástek pro výrobu profesionálního přístroje. Při dodržení následujícího návodu Vám bude přístroj fungovat na první zapojení a sloužit mnoho let. Popis Jedná se o přístroj vytvářející napěťový signál se sinusovým, trojúhelníkovým a obdélníkovým (TTL) průběhem o nastavitelné frekvenci a amplitudě. První výstup je analogový. Dle nastavení zde může být průběh napětí buď sinusový nebo trojúhelníkový. Výstupní impedance je 50Ω. Druhý výstup je digitální, jeho úrovně odpovídají TTL standardu a výstupní impedance je 600Ω. Frekvence i fáze jsou shodné pro oba výstupy. Frekvenci lze regulovat od 1Hz do 1MHz s krokem 1Hz. Amplituda analogového signálu je plynule nastavitelná v rozsahu 0 až 1V při 50Ω zátěži (4V p-p bez zátěže). Napájení přístroje je realizováno přiloženým adaptérem 9V AC. Dodavatel, Bezpečnostní upozornění Přístroj uchovávejte mimo dosah dětí, mohly by se poranit. Při likvidaci odpadu postupujte dle platných předpisů. Nedodržením pokynů a návodu k sestavení zaniká nárok na záruku a rovněž zaniká i zodpovědnost dodavatele za případné škody tímto přístrojem způsobené. Dbejte na to, i když tuto sadu předáte dál jiné osobě. Uschovejte proto tento návod k obsluze k pozdějšímu nahlédnutí! Provoz sestavené sady je povolen jen v suchých vnitřních prostorách a mimo dosah hořlavých látek. Zacházejte opatrně s produktem prostřednictvím nárazů, úderů, vysokých teplot, kontaktu s tekutinami nebo pádu by se mohl poškodit. Všechny obsažené firemní názvy a označení produktů jsou výrobními značkami příslušných vlastníků. Všechna práva jsou vyhrazena. Nejedná se o finální výrobek, ale o sadu součástek určenou k výrobě přístroje. Výrobcem není dodavatel, ale osoba, která sadu sestaví a vloží do přístrojové krabičky. V případě objednání služby zakázkového sestavení stavebnice u dodavatele, tento pouze osadí elektronické součástky a konstrukční prvky do plošného spoje a zkontroluje funkčnost dodává tedy funkční modul a případně zvlášť i přístrojovou krabičku. Výrobcem se stává osoba, která tento modul vloží do přístrojové krabičky (vlastní nebo dodané dodavatelem), nikoli dodavatel. Dodavatel není v žádném případě výrobcem. Na tento návod a sadu součástek s ním souvisejících se vztahují autorská práva v plném rozsahu. martin@olejar.cz,

2 Parametry přístroje ANALOGOVÝ VÝSTUP Minimální odstup druhé harmonické složky v db a její procentuelní zastoupení (Třetí a ostatní harmonické složky výstupního signálu jsou oproti druhé harmonické zanedbatelné.) výstupní frekvence Odstup 2.harmonické složky Procentuelní zastoupení 2.harmonické složky 1Hz až 80kHz 60 db 0,1 % 100kHz 57 db 0,14 % 500kHz 42 db 0,8 % 1MHz 37 db 1,4 % Minimální odstup signál-šum sledované frekvenční pásmo Odstup signál šum Procentuelní zastoupení šumu 1Hz až 1GHz 62 db 0,08% Maximální odchylka nastavené a reálné frekvence výstupní frekvence typicky maximálně 1Hz až 1MHz 10ppm (0,001%) 50ppm (0,005%) Maximální odchylka amplitudy v závislosti na výstupní frekvenci výstupní frekvence typicky maximálně 10Hz až 1MHz 0,4 % 1Hz až 10Hz 3 % Rozsah výstupní amplitudy 0 až 1,1V (±0,07V) při zátěži 50 Ω Výstupní impedance 50 Ω (±0,5 Ω) martin@olejar.cz,

3 DIGITÁLNÍ VÝSTUP Maximální délka náběžné/sestupné hrany 100ns Výstupní impedance 600 Ω (±60 Ω) OSTATNÍ Napájecí napětí Standardně 9V AC / 220mA adaptér (230V / 9V AC, 1A) je součástí kompletní stavebnice. Modul lze napájet také stejnosměrným symetrickým napětím v rozsahu 2x 8V až 2x 13V. Hmotnost 230g Rozměry Vnější rozměry krabičky: 95 x 135 x 45mm Se započtením přístrojového knoflíku a BNC konektorů: 95 x 140 x 50mm Poznámka: Parametry přístroje byly změřeny ve spolupráci s katedrou měření fakulty elektrotechnické ČVUT. martin@olejar.cz,

4 Obsah sady (dále také stavebnice) Stavebnice je dodávána jako kompletní sada obsahující všechny potřebné součástky a konstrukční díly, hlavní desku plošných spojů, desku plošných spojů pro modul s tlačítky, modul LCD displeje, vyfrézovanou a upravenou plastovou krabičkou, napájecí adaptér a samozřejmě také tento návod k sestavení. Schéma zapojení Kompletní schéma naleznete na konci tohoto návodu. hlavní část Srdcem přístroje je integrovaný obvod přímé digitální syntézy (DDS) firmy Analog Devices s označením AD9833 (IC3). Tento obvod je řízen mikrokontrolérem PIC16F73 (IC2) po třívodičovém sériovém vedení (vývody RA2,RA3,RA5). Hodinový signál pro DDS i pro mikrokontrolér je zajištěn společným přesným krystalovým generátorem obdélníkového signálu se zabudovanou programovatelnou děličku kmitočtu, fázovým závěsem a pamětí PROM (Q1). K mikrokontroléru jsou dále připojeny periferie pro komunikaci s uživatelem. Těmi jsou LCD displej 2x16 znaků pro zobrazení nastavené frekvence a typu výstupního signálu (vývody RC5,RC6,RC7,RB0 až RB7) a také klávesnice složená z pěti tlačítek (vývody RC0 až RC4). Trimr (R1) slouží pro nastavení kontrastu LCD displeje. výstupní obvody Z výstupního signálu obvodu AD9833 (vývod 10) je pomocí RC členu (R10,C12) oddělena stejnosměrná složka. Poté je signál zesílen pomocí OZ (IC6A) v zapojení neinvertujícího zesilovače. Z jeho výstupu je signál přiveden na vstup komparátoru a také na dráhu potenciometru (R22) regulujícího amplitudu napětí na analogovém výstupu. Na jezdec potenciometru je připojen vstup dalšího neinvertujícího zesilovače (IC6B) jehož výstup vede přes výstupní 50Ω odpor (R18,R21) na BNC konektor (analogový výstup). Jako komparátor je použit velmi rychlý obvod AD8561 (IC8), u kterého je pomocí rezistorů (R14,R15,R17,R20) nastavena hystereze, korigován fázový posun a střída výstupního signálu. Jeho výstup je přiveden opět přes výstupní odpor (R19) na druhý BNC konektor (digitální výstup). Napájecí obvody Napájení přístroje je (především z bezpečnostních důvodů) realizováno běžně prodávaným adaptérem s výstupním střídavým napětím o efektivní hodnotě 9V. Deska plošných spojů je však přizpůsobena i pro případné napájení symetrickým stejnosměrným napětím +/- 8V až +/- 14V. Pro větší bezpečnost je obvod opatřen dvěma proudovými vratnými pojistkami (R4,R5). Diody (D1,D2) chrání proti přepólování zdroje v případě napájení symetrickým stejnosměrným napětím a v případě napájení dodávaným adaptérem (tedy střídavým napětím), slouží pro martin@olejar.cz,

5 jednocestné usměrnění. Napětí je pak filtrováno pomocí kondenzátorů (C4,C5) s dostatečnou kapacitou. V celém zapojení se nachází celkem pět integrovaných stabilizátorů typu 78**/79**. Ty zajišťují napájecí symetrické stejnosměrné napětí +/- 5V zvlášť pro analogovou (IC9,IC7) a zvlášť pro digitální část (IC5,IC4). Pátý stabilizátor (IC1) napájí mikrokontrolér, krystalový generátor a LCD displej. Operační zesilovač (IC6) vyžaduje pro správnou funkci filtrační elektrolytické kondenzátory v těsné blízkosti u svého pouzdra, tedy již na výstupu stabilizátorů. Proto jsou stabilizátory pro analogovou část (IC9,IC7) opatřeny ochrannými diodami (D4,D3). Všechny integrované obvody jsou opatřeny blokovacími kondenzátory o hodnotě 47nF. Modul s tlačítky Tlačítka jsou osazena na samostatné desce, na které jsou propojena s konektorem SL2. LED diody jejich podsvícení jsou paralelně propojeny a opatřeny paralelní kombinací odporů (R101,R102) omezujících proud. Pro svit LED diod je nutné na této desce plošných spojů propojit kapkou cínu dva vývody viz dále. Program Mikrokontrolér PIC je dodáván naprogramovaný příslušným programem. Nelze tedy použít mikrokontrolér zakoupený běžně v obchodě. To samé platí i pro krystalový oscilátor. Obě tyto součástky lze zakoupit naprogramované samostatně na internetových stránkách dodavatele martin@olejar.cz,

6 Plošný spoj Deska je rozdělena na digitální a analogovou část, které jsou navzájem odděleny tzv. izolačním příkopem. Obě části jsou z jedné strany desky pokryty plochou rozlité země a to tak, aby tato plocha téměř nebyla přerušena jinými vodiči. Analogová a digitální zem je propojena pod obvodem digitální syntézy a k přemostění izolačního příkopu dochází pouze v jeho těsné blízkosti. Klíčové je rovněž rozmístění blokačních kondenzátorů, kterých je na plošném spoji celkem téměř dvacet. Deska plošných spojů je vyrobena jako dvojvrstvá s prokovy v provedení HAL s nepájivou maskou v páté třídě přesnosti. Bez potřebných znalostí v žádném případě nedoporučuji pokoušet se o návrh vlastního plošného spoje. Pájení SMD součástek SMD součástky můžete nejprve přilepit speciálním (ale stačí i obyčejné vteřinové) lepidlem k povrchu desky a jejich vývody poté připájet. Jinou možností je také nanést si malé množství pájky na jedenu z pájecích plošek, přiložit součástku pinzetou a mikropájkou jeden příslušný vývod součástky připájet. Může se ale stát, že bude v takovém případě součástka mírně nadzvednutá nad plošným spojem. Je ji tedy třeba lehce přitlačit shora pinzetou a za stálého tlaku znovu zahřát tento jeden vývod. Pak už stačí jen zapájet všechny ostatní vývody stejně jako v předchozím případě. Případné slití pájky mezi dvěma vývody integrovaného obvodu nejlépe odstraníte odsávačkou. Pájecí plošky vodivě spojené s rozlitou mědí je třeba zahřívat déle. Přestože jsou s plochou propojeny jen čtyřmi tenkými vodiči (tzv. termické plošky), snadněji se z nich odvádí teplo do okolní plochy. Kvůli RoHS (direktiva zakazující použití nebezpečných látek v elektronice) nemohu doporučit pájení klasickou trubičkovou PbSn pájkou, ale přesto mi nezbývá než konstatovat, že je pro pájení vhodnější než její bezolovnaté "náhražky". V každém případě však používejte při pájení vhodné a pro danou pájku určené tavidlo. Tavidlo obsažené v trubičkové pájce může být postačující, ale není dobré se spoléhat jen na něj. Osazení desky Deska je standardně dodávána již se zapájeným a elektricky zkontrolovaným integrovaným obvodem digitální syntézy (IC3). Pájení v jeho blízkosti věnujte vyšší pozornost. Jeho vývody již páječkou nezahřívejte. Všechny součástky (SMD i klasické) jsou umístěny pouze z jedné strany desky. Vyjímku tvoří pouze LCD displej a modul klávesnice. V zapojení jsou z větší části použity součástky SMD pro povrchovou montáž. K jejich osazování doporučuji používat k tomu určenou pinzetu, mikropájku s vhodným hrotem a v neposlední martin@olejar.cz,

7 řadě také dobré osvětlení a to nejlépe z obou stran. Pokud Váš zrak není zrovna nejlepší, je vhodné použít také stolní (nebo jinou) lupu. Nejprve osaďte všechny kondenzátory a rezistory v SMD pouzdru velikosti Součástky umístěné pod integrovanými odvody (IC2,IC6) musí být v každém případě zapájeny (a raději i elektricky zkontrolovány) před osazením zmíněných integrovaných obvodů. To samé platí i pro rezistor (R2) pod trimrem (R1). Pokračovat můžete osazením všech integrovaných obvodů, diod, trimru a elektrických vratných pojistek. Elektrolytické kondenzátory, konektory a potenciometr osaďte až nakonec. Mikrokontrolér (IC2) můžete osadit do patice, ale není to nutné. Naopak operační zesilovač (IC6) pájejte přímo, patici zde v žádném případě nepoužívejte. Stabilizátory analogové části (IC7,IC9) jsou umístěny vertikálně. Stabilizátor (IC1) pro napájení mikrokontroléru, generátoru a LCD je umístěn horizontálně. Mezi něj a desku plošných spojů vložte silikonovou izolační podložku a přišroubujte jej přiloženým šroubkem a matkou M3. Bez této izolační podložky by mohlo dojít ke zkratu mezi kovovou částí pouzdra stabilizátoru a spoji pod ním. Nepájivá maska není plnohodnotnou elektrickou izolací. Vývody potenciometru zohýbejte kleštěmi směrem k jeho ose pod úhlem 90 a jeho krajní vývody lehce rozevřete směrem od sebe. K ohýbání nepoužívejte příliš velikou sílu, abyste potenciometr nepoškodili. Poté jej provlečte skrz díru v desce plošných spojů tak, aby jeho tělo bylo ze strany součástek a osa ze strany opačné. Potenciometr nejprve dotáhněte maticí a až poté připájejte jeho vývody k pájecím ploškám na desce. Nikdy nepostupujte v opačném pořadí, mohlo by to vést k poškození desky. Přes kovové tělo potenciometru přetáhněte tenký neizolovaný drátek, který nejprve připájíte do příslušných prokovů v plošném spoji (vodivě spojených s plochou analogové země) a poté i k tělu potenciometru. Pokud chcete, aby byla podsvícena i tlačítka, propojte kapkou pájky dva vývody tlačítek, jak je znázorněno na následujícím obrázku. Konektory pro připojení klávesnice a LCD displeje jsou osazeny z druhé strany desky než ostatní součástky. Tyto konektory připájejte nejprve do hlavní desky plošných spojů a až po vyzkoušení a odměření optimální vzdálenosti mezi touto deskou a moduly (LCD a klávesnice) v přístrojové krabičce na ně připájejte do správné výšky tyto moduly. V případě montáže do jiné krabičky můžete oba martin@olejar.cz,

8 moduly propojit pomocí plochých kabelů. Při rozteči kablíků 1,27mm lze využít pouze každý druhý vodič. UPOZORNĚNÍ: Dbejte na polaritu diod, elektrolitických kondenzátorů a na orientaci umístění integrovaných obvodů. Stejně tak i na hodnoty jednotlivých součástek a jejich umístění. I zde platí pravidlo "Dvakrát měř jednou řež". Opravování chyb způsobených nepozorností nemusí být vždy úplně jednoduché. Uvedení do provozu, návod k použití Při dodržení tohoto návodu bude zařízení fungovat na první zapojení. Jediným regulačním prvkem v celém zapojení je trimr pro nastavení kontrastu LCD displeje. Ten můžete nastavit do střední polohy, ale LCD displej bude čitelný v jakékoli jeho poloze. Obrázek znázorňující připojení napájecího napětí Připojte k příslušným pájecím ploškám napájecí napětí dle obrázku. Standardní zapojení ukazuje horní z obrázků, kde je použito k napájení dodávaného adaptéru. Přístroj lze však napájet i stejnosměrným symetrickým napájecím napětím viz dolní obrázek. Po připojení napájecího napětí a sepnutí vypínače (pokud je zapojen) by se mělo rozsvítit podsvícení LCD displeje a případně i tlačítek. Na LCD displeji by se měl zobrazit úvodní text "Generátor funkcí 1MHz elweb.cz" (nebo obdobný) a po chvilce nápis "Hz -----" (nebo obdobný). Pokud tomu tak není: Zkontrolujte prstem teplotu proudových vratných pojistek. Pokud je vyšší než cca 40 C, máte na plošném spoji někde vyzkratované napájecí napětí. Zkontrolujte voltmetrem napájecí napětí na výstupech jednotlivých stabilizátorů, případně i na vývodech jednotlivých integrovaných obvodů. martin@olejar.cz,

9 Nastavte pomocí tlačítek výstupní frekvenci například 100Hz sinus. Šipky vlevo/vpravo slouží pro posun kurzoru, šipky nahoru/dolů pak ke změně hodnot. Měnit lze jakoukoli číslici v čísle udávajícím výstupní frekvenci. Při podržení šipky nahoru/dolů přístroj plynule zvyšuje/snižuje frekvenci. Při podržení tlačítka OK probíhá čítání rychleji. Pro rychlejší čítání frekvence stiskňete a držte šipku (nahoru/dolů), pak stiskněte a držte tlačítko OK (čítání se zrychlí), pusťte tlačítko OK (čítání se opět zpomalí) a až nakonec pusťte i šipku. Regulace amplitudy je zajištěna potenciometrem v horní části přístroje - ten nastavte do krajní pravé polohy (maximum). Pomocí osciloskopu ověřte signál na analogovém a pak i na digitálním výstupu. Pokud nemáte k dispozici osciloskop, ověřte (při frekvenci 100Hz) efektivní hodnotu střídavého napětí na výstupech a pak i stejnosměrné napětí na výstupech. Na analogovém výstupu by měl být sinusový průběh napětí o amplitudě 2V (4V p-p). Na digitálním pak obdélníkový průběh odpovídající logickým úrovním TTL. V případě měření voltmetrem by mělo být stejnosměrné napětí na analogovém výstupu nulové a na digitálním výstupu přibližně 2V. Efektivní hodnota střídavého napětí na analogovém výstupu by se měla pohybovat kolem 1,4V. Na digitálním by měla být také přibližně mezi 1V a 2V (záleží na typu voltmetru a jeho frekvenčním rozsahu). Pokud tomu tak není, zkuste osciloskopem (nebo alespoň voltmetrem) ověřit signál přímo na výstupu AD9833 respektive na vývodech fóliového kondenzátoru C12. Zde by měl být sinusový nebo trojúhelníkový signál nastavené frekvence s amplitudou přibližně 300mV se stejnosměrnou složkou také přibližně 300mV. martin@olejar.cz,

10 Umístění do přístrojové krabičky Přístrojová krabička je standardně dodávána spolu se stavebnicí. Na předvrtaný černý panel nalepte přístrojový štítek a pak do jeho otvorů přišroubujte vypínač a konektor pro napájecí napětí. Osu potenciometru seřízněte pilkou na železo na správnou délku. Na osu potenciometru připevněte přístrojový knoflík. Oba černé plastové panely vložte do horní části krabičky otočené "vzhůru nohama" tak, aby byl černý panel s otvory na straně s dírou pro potenciometr. Potom od sebe lehce odtáhněte strany horního dílu krabičky a vložte do ní hotový a odzkoušený modul. LCD modul zapadne do zářezů ve stěnách krabičky. BNC konektory prostrčte skrz příslušné otvory v černém panelu. Pak přišroubujte desku s tlačítky pomocí dvou přiložených M3 šroubků do distančních sloupků. Mezi distanční sloupky a desku vložte pérové podložky. Pomocí kabelů propojte napájecí konektor, vypínač. Přístroj vyzkoušejte a pokud vše funguje, zacvakněte spodní část krabičky. Opětovné otevření krabičky Tlakem ze strany vymáčkněte "zobáček" na jedné straně v části u tlačítek. Do vzniklé mezery vložte plochý šroubovák a na stejné straně krabičky pak vymáčkněte i druhý zobáček v místě u LCD displeje. Zobáčky na druhé straně nevycvakávejte, ale krabičku rozevřete. Při nedodržení tohoto postupu se může krabička poškodit. V případě jakýchkoli dotazů týkajících se sestavení této stavebnice mne můžete kontaktovat na ové adrese martin@olejar.cz martin@olejar.cz,

11

12

13 Seznam součástek kompletní stavebnice součástka typ parametry označení ks kondenzátor SMD nF C11 1 kondenzátor SMD nF C1,C2,C3,C6,C7,C8,C9,C10,C14,C15,C16,C18,C20,C21,C22,C23 16 kondenzátor SMD tantal 1uF/10V C13 1 kondenzátor fóliový 1uF C12 1 kondenzátor elektrolyt 100uF/10V C17,C19 2 kondenzátor elektrolyt 1000uF/16V C4,C5 2 rezistor SMD R3 1 rezistor SMD R18,R21,R101,R102 2 rezistor SMD až 620 R13,R16,R19 3 rezistor SMD1206 1k2 R6,R8,R9,R11,R15,R20 6 rezistor SMD1206 3k3 R12 1 rezistor SMD1206 6k8 R2 1 rezistor SMD k R17 1 rezistor SMD k R14 1 rezistor SMD k R10 1 odporový trimr PIHER 10mm 1k2 R1 1 potenciometr kovový 1k R22 1 rezistorová síť SIL5 22k R7 1 pojistka polyswitch 0,5A R4,R5 2 dioda 1N4007 1A D1,D2 2 dioda 1N4148 D3,D4 2 integrovaný obvod 7805T 1A IC1,IC9 2 integrovaný obvod 7905T 1A IC7 1 integrovaný obvod 7805L 100mA IC5 1 integrovaný obvod 7905L 100mA IC4 1 integrovaný obvod AD9833 IC3 1 integrovaný obvod AD8561 IC8 1 integrovaný obvod OPA2134 IC6 1 integrovaný obvod PIC16F73 naprog. IC2 1 krystalový oscilátor SG8002JC naprog. Q1 1 LCD MC1602E-SBL/H PC konektor lišta jednořadá 7 pinů SL2 (SL1) (osazujte dále od kraje desky) 1 konektor lišta jednořadá 16 pinů PC konektor BNC do DPS BNC1,BNC2 2 konektor napájecí 1 vypínač P-KNX2 2 póly 1 tlačítko P-PB61413L šipka TL101,TL102,TL103,TL104 4 tlačítko P-PB61413L OK TL105 1 DPS dvojstranná HAL,maska 1 DPS jednostranná pájivý lak 1 plastová krabička vyfrézovaná šedá 1 štítek samolepící černý 1 šroub M3 10mm 3 matice M3 1 silikonová podložka T220 1 adaptér MW0910AC 9V AC, 1A 1 martin@olejar.cz,