ВЧ-генератор в виде платы расширения к Arduino Uno

Суббота , 8, Июнь 2019 Leave a comment

Если возникла необходимость в источнике синусоидального сигнала высокой частоты, то может выручить предлагаемый ВЧ-генератор, выполненный в виде платы расширения к распространённому контроллеру Arduino Uno. Этот, как теперь называют подобные устройства, шилд (Arduino Shield), созданный на основе микросхемы синтезатора частоты с прямым цифровым синтезом выходного сигнала (Direct Digital Synthesis – DDS), вставляется прямо в плату контроллера Arduino Uno, исключая саму возможность ошибки при подключении подобных устройств проводами.

Фото 1. ВЧ-генератор, установленный в плату контроллера Arduino Uno.

Контроллер Arduino Uno в данном случае непосредственно управляет работой DDS-генератора, но и сам требует подключения к USB-порту компьютера и работает под управлением компьютерной программы, выполняющей функцию пользовательского интерфейса. Всё необходимое программное обеспечение можно бесплатно скачать по ссылкам, приведенным в конце этого описания.

Рис.1. Управление ВЧ-генератором и его выходной сигнал на USB-осциллографе.

Высокочастотный синусоидальный сигнал, сформированный DDS-генератором, выведен на установленный на плате генератора коаксиальный ВЧ-разъем через симметрирующий ВЧ-трансформатор (балун), чем обеспечивается согласование со стандартной 50-омной нагрузкой.

Фото 2. SMA-разъем и согласующий ВЧ-трансформатор на плате генератора.

Такой генератор хоть и не обладает полным набором функциональных возможностей лабораторного генератора высокой частоты, но, имея вполне приемлемые технические характеристики, часто может его заменить. Не говоря уже о габаритах, весе и цене. Кроме того, такой ВЧ-генератор в комплекте с USB-осциллографом и ноутбуком – это уже мобильный измерительный комплекс, который будет полезен начинающим радиолюбителям и разработчикам электроники, а также студентам.

Фото 3. ВЧ-генератор + USB-осциллограф + ноутбук = измерительный комплекс.

     Технические характеристики ВЧ-генератора

В таблице 1 приведены технические характеристики ВЧ-генератора с пояснениями. Некоторые из них разъяснены затем в тексте более подробно.

                    Таблица 1

Диапазон перестройки частотыот 100 кГц до 25 МГц
Рекомендуемый к использованию частотный диапазонот 150 кГц до 12,5 МГц
Уровень выходного сигнала (Rн=50 Ом) 10 dBm / 224 mV (RMS)
Неравномерность уровня выходного сигнала 1,2±2 dB
Регулировка уровня выходного сигналанет
Уровень 2-й и 3-й гармоник, не выше-55 dB
Уровень собственных шумов, не выше-80 dB
Амплитудная модуляциянет
Частотная модуляция 3да
Фазовая модуляция 3да

          1 – в рекомендуемом к использованию частотном диапазоне;
          2 – ниже приведен график с неравномерностью АЧХ;
          3 – цифровая манипуляция под управлением контроллера Arduino Uno.

На рис.2 представлена диаграмма с анализатора спектра, полученная при тестировании генератора на частоте 1 МГц.

Рис.2. Уровень сигнала, 2-й и 3-й гармоник и собственных шумов генератора (10 dBm/дел.).

По этой диаграмме можно оценить уровни 2-й и 3-й гармонических составляющих выходного сигнала, а также уровень собственных шумов ВЧ-генератора. Следует также отметить, что показатели качества выходного сигнала генератора обусловлены характеристиками микросхемы DDS-синтезатора AD9834B, на базе которой построен представленный здесь генератор сигналов высокой частоты.

     Схема ВЧ-генератора

Электрическую принципиальную схему представленного здесь генератора высокочастотного синусоидального сигнала, выполненного в виде платы расширения к контроллеру Arduino Uno, можно скачать в pdf-формате по ссылке в конце статьи.

Структурно схема высокочастотного генератора состоит из следующих друг за другом функциональных узлов:

  • DDS-синтезатора частоты на микросхеме AD9834B (D1) производства Analog Devices;
  • LC-фильтра нижних частот (L2..L5/C11..C13) с частотой среза 25 МГц;
  • дифференциального усилителя сигнала высокой частоты на микросхеме AD8132ARZ производства Analog Devices, с симметричного выхода которого нормированный по амплитуде синусоидальный сигнал высокой частоты через согласующий симметрирующий ВЧ-трансформатор (balun) подаётся на выходной коаксиальный ВЧ-разъём типа SMA.

Схема включения микросхемы DDS-синтезатора AD9834B (D1) приведена на рис.3.

Рис.3. Микросхема DDS-синтезатора AD9834B в схеме ВЧ-генератора.

Сигнал тактовой частоты 50 МГц подаётся на вход MCLK (8) с кварцевого генератора G1. Для управления микросхемой DDS-синтезатора AD9834B используется последовательный интерфейс типа SPI. Остальные управляющие входы микросхемы выведены на свободные порты контроллера Arduino Uno. Эти управляющие входы могут быть задействованы при необходимости реализовать какие-либо дополнительные функции, такие как, например, частотная и/или фазовая модуляция (манипуляция) выходного сигнала. Таким образом практически все функциональные возможности DDS-синтезатора AD9834B могут быть использованы под управлением контроллера Arduino Uno с соответствующим программным обеспечением.

Парафазный выходной сигнал с выходов микросхемы IOUT (19) и IOUTB (20) через развязывающие конденсаторы C9 и C10 подаётся затем на вход LC-фильтра нижних частот, схема которого представлена на рис.4.

Рис.4. LC-фильтр нижних частот с частотой среза 25 МГц.

Частота среза представленного на рис.4 ФНЧ около 25 МГц, а затухание на тактовой частоте 50 МГц составляет не менее -40 дБ. Амплитудно-частотная характеристика LC-фильтра нижних частот на элементах L2..L5/C11..C13 представлена на рис.5.

Рис.5. Амплитудно-частотная характеристика LC-фильтра нижних частот.

С LC-фильтра нижних частот синусоидальный сигнал поступает на вход нормирующего усилителя высокой частоты на микросхеме AD8132ARZ (D2) как показано на рис.6.

Рис.6. Нормирующий УВЧ и согласование его симметричного выхода с несимметричной нагрузкой.

Для согласования симметричного выхода УВЧ с несимметричной нагрузкой генератора, подключаемой через коаксиальный разъём XS3, между УВЧ и разъёмом включен симметрирующий согласующий ВЧ-трансформатор — балун с соотношением импедансов на входе и выходе 4:1 (T1). Выходное сопротивление ВЧ-генератора во всём рекомендуемом к использованию частотном диапазоне составляет 50 Ом.

Включение согласующего трансформатора вносит небольшую неравномерность уровня выходного сигнала по диапазону перестройки частоты. Эта неравномерность представлена диаграммой на рис.7.

Рис.7. Неравномерность уровня выходного сигнала при перестройке частоты.

Как видно из представленной диаграммы, наиболее крутой завал уровня сигнала наблюдается при приближении к нижнему краю диапазона перестройки частоты сигнала ВЧ-генератора. Это обусловлено недостаточной индуктивностью обмоток согласующего ВЧ-трансформатора T1. В рекомендуемом к использованию диапазоне частот выходного сигнала неравномерность не превышает ±2 dB.

     Программное обеспечение

Программное обеспечение описанного выше ВЧ-генератора как платы расширения к контроллеру Arduino Uno состоит из двух частей: программы, которую необходимо записать в контроллер Arduino Uno и компьютерной программы пользовательского интерфейса. Обе программы можно свободно и бесплатно скачать по приведенным ниже ссылкам.

Для записи необходимого программного обеспечения в контроллер Arduino Uno необходимо скачать архивный файл AD9834-ctrl.zip и распаковать его с сохранением названия папки с файлами программы AD9834-ctrl. Затем открыть в среде программирования Arduino IDE файл из этой папки AD9834-ctrl.ino и запрограммировать свой контроллер Arduino Uno.

Программа пользовательского интерфейса, запускаемая на компьютере, написана на языке Java. Поэтому файл программы пользовательского интерфейса jDDSin.jar запускается на компьютере при условии, что на компьютере установлена виртуальная Java-машина (Java Virtual Machine). Как это сделать — подробно и неоднократно было описано на сайтах, посвященных созданию и использованию программного обеспечения на языке Java.

На рис.8 представлен вид окна запущенной программы пользовательского интерфейса.

Рис.8. Окно программы пользовательского интерфейса.

При подключении к компьютеру платы Arduino Uno, запрограммированной как было описано выше, и последующем запуске программы jDDSin, программа автоматически определяет виртуальный COM-порт, к которому подключен контроллер, устанавливает с контроллером связь и поддерживает с ним постоянный обмен информационными пакетами. Поэтому в программе отсутствует меню выбора COM-порта и его параметров. Достаточно подключить плату и запустить программу. Работу программного обеспечения можно проверить со своей платой Arduino Uno и без установленной платы расширения.

Управление частотой сигнала на выходе ВЧ-генератора при помощи программы пользовательского интерфейса, как видно, очень простое. Нажатие мышкой на кнопку «+1»/«-1» (или кнопки «↑» / «↓» на клавиатуре) увеличивает/уменьшает частоту сигнала на 1 Гц, 1 кГц или 1 МГц — в зависимости от выбора шага изменения частоты в правой панели «Step». Для быстрого ввода требуемого значения частоты нажмите на клавиатуре пробел и введите частоту в герцах.

©Задорожный Сергей Михайлович, 2019г.

Материалы к описанию:

См. также:

Как предсказать частоту и амплитуду продуктов первичного усечения кода фазы (PPT) в спектре выходного сигнала DDS-синтезатора (AN-1396 Application Note от Analog Devices в русском переводе).