Zaloguj
- dwa tryby pracy: generator lub wobulator,
- wyjście sygnału sinusoidalnego i prostokątnego,
- regulacja częstotliwości w zakresie od 1 Hz do 40 MHz, z krokiem regulowanym w zakresie od 1 Hz do 1 MHz,
- regulacja poziomu wyjściowego sygnału sinusoidalnego za pomocą potencjometru,
- możliwość zastosowania jednego z dwóch dostępnych na rynku, gotowych modułów generatorów DDS z chipem AD9850.
Zaprogramowanie mikrokontrolera
Mikrokontroler (U10) jest montowany od strony wyświetlacza LCD. Jeśli nie korzystamy z zaprogramowanego MCU, to nowy układ można zaprogramować za pomocą programatora z gniazdem DIP28. Może to być popularny i niedrogi programator USBASP, który dobrze współpracuje m.in. z równie popularnym programem avrdude.
W pierwszych linijkach pliku AVT-5980.c, znajdującego się w kodzie źródłowym do tego projektu, zawarto także gotowe linijki poleceń programu avrdude, potrzebne do zaprogramowania mikrokontrolera. Najpierw należy ustawić bity konfiguracyjne mikrokontrolera zgodnie z rysunkiem 9 (wygenerowanym na stronie: https://eleccelerator.com/fusecalc/). Następnie należy wgrać do układu zawartość pliku mainfile.hex (dostępny także w materiałach do tego projektu). W przypadku wprowadzenia własnych modyfikacji kod całego projektu należy ponownie skompilować.
Po zainstalowaniu mikrokontrolera montujemy nad nim tymczasowo wyświetlacz LCD (U11), łączymy elektrycznie obie PCB a następnie do płytki głównej podłączamy zasilanie 12 V. Po włączeniu zasilania na LCD powinniśmy ujrzeć ekran powitalny, widoczny na fotografii tytułowej. Na tym etapie za pomocą potencjometru PR2 warto dokładnie wyregulować kontrast wyświetlacza LCD. Po wyłączeniu zasilania montujemy wybrany moduł generatora DDS (tylko jeden z dwóch – U5 lub U6!). Obrysy modułów na górnej stronie płytki głównej pomogą w prawidłowym umiejscowieniu modułu w przygotowanym do tego celu gnieździe. Po ponownym włączeniu zasilania powinna zaświecić się także dioda LED, umieszczona na module DDS.
Obsługa przyrządu
Opisane urządzenie może pracować jako generator albo jako wobulator, przy czym ostatnio wybrany tryb jego pracy jest zapamiętywany w pamięci EEPROM. Tryb ten można też wybrać za pomocą manipulatora SW1 zaraz po uruchomieniu przyrządu i pozostanie on niezmienny aż do ponownego włączenia. Inaczej, niż to miało miejsce we wcześniejszej wersji urządzenia, wyjście sygnału cyfrowego z generatora jest załączane (lub blokowane) sprzętowo – za pomocą jumpera JP201, zlokalizowanego na płytce sterowania (rysunek 8, druga część artykułu).
Po wejściu w tryb pracy generatora mamy do dyspozycji dwa ekrany ustawień, pokazane na fotografii 7. Drugi od góry na zdjęciu, w górnym wierszu wyświetlacza LCD prezentuje wartość częstotliwości pracy generatora Fg. Podawana jest ona, w zależności od rzędu wielkości Fg, w jednostkach: Hz, kHz lub MHz. Natomiast w dolnym wierszu tego samego ekranu podawana jest mierzona na bieżąco międzyszczytowa wartość napięcia sinusoidalnego Vout w jednostkach Vpp. Można regulować i obserwować zmiany obu parametrów wyświetlanych na ekranie.
Z uwagi na zastosowaną metodę pomiaru (detektor szczytowy z diodą Schottky'ego) możliwy jest pomiar napięć nie mniejszych niż 0,1 Vpp. Warto podkreślić, że dokładność tego pomiaru została znacząco poprawiona poprzez wprowadzenie do oprogramowania wielomianowej funkcji interpolującej odwróconą charakterystykę detektora: Vout=f(Udet). Funkcja ta została skalibrowana pomiarowo dla częstotliwości roboczej Fg=1 MHz. Jakkolwiek, w praktyce można liczyć na znaczną dokładność pomiaru Vout w zakresie już od około 1 kHz aż do 10 MHz. Pomiar napięcia Vout jest możliwy do wartości nieprzekraczających 4,0 Vpp, powyżej których należy spodziewać się istotnych zniekształceń nieliniowych we wzmocnionym sinusoidalnym sygnale wyjściowym.
Po naciśnięciu przycisku enkodera przejdziemy do ekranu zmiany kroku regulacji częstotliwości dFg, której dokonujemy za pomocą pokrętła enkodera, iterując po dozwolonych, zapisanych w pamięci programu wartościach: 1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz oraz 1 MHz. Wybraną wartość należy zatwierdzić przyciskiem enkodera, co spowoduje także powrót do wcześniejszego ekranu, prezentującego bieżące wartości Fg i Vout.
Ważną czynnością, którą należy wykonać po uruchomieniu generatora i opanowaniu jego obsługi, jest wyregulowanie współczynnika wypełnienia przebiegu prostokątnego D na wartość jak najbliższą 50%. Przebieg ten powstaje w szybkim komparatorze układu AD9850 jako efekt porównania odfiltrowanego sygnału sinusoidalnego ze stałym napięciem referencyjnym, ustalanym potencjometrem montażowym, umieszczonym na module generatora DDS (fotografie 1 i 2, pierwsza część artykułu). Wyniki regulacji można weryfikować za pomocą oscyloskopu cyfrowego lub multimetru, wyposażonych w odpowiednią funkcję pomiarową. Można też zastosować uproszczoną (ale całkiem dokładną) metodę polegającą na pomiarze odfiltrowanej dolnoprzepustowo średniej wartości napięcia prostokątnego (filtr RC z R=10 kΩ i C=100 nF będzie wystarczający z zapasem dla testowej częstotliwości Fg=1 MHz). Przy D=50% odfiltrowane napięcie z portu P3 będzie bardzo bliskie połowie napięcia zasilania układów cyfrowych w tym projekcie, czyli około +2,5 V. Fotografii 8 na jednym oscylogramie zaprezentowano przykładowe przebiegi wygenerowanych równolegle sygnałów: sinusoidalnego i prostokątnego o częstotliwości Fg około 1 MHz. Widać na niej prawidłowe ustawienie współczynnika wypełnienia sygnału prostokątnego na D=50% oraz zgodność faz obu pokazanych sygnałów, wynikającą wprost ze sposobu generowania sygnału prostokątnego w syntezerze AD9850.
Jeśli po uruchomieniu przyrządu wybierzemy tryb pracy wobulatora, to dalej zostaniemy wprowadzeni w system menu ekranowego zaprezentowany na fotografii 9. Pierwszy ekran roboczy wobulatora (a drugi od góry na zdjęciu) prezentuje dolną Fl i górną Fh graniczne częstotliwości przemiatania, przy czym przy pierwszym uruchomieniu przyrządu będą one miały wartości domyślne: Fl=20 Hz oraz Fh=20 kHz. Gdy aktywny jest ten ekran roboczy, wobulator pracuje normalnie i żadne regulacje (poza amplitudą wyjściowego napięcia sinusoidalnego) nie są możliwe.
Naciśnięcie przycisku enkodera SW1 spowoduje zatrzymanie regularnej pracy wobulatora oraz przejście do kolejnych ekranów ustawień parametrów. Należą do nich kolejno ekrany ustawień: kroku regulacji częstotliwości dFg, dolnej częstotliwości przemiatania Fl, górnej częstotliwości przemiatania Fh oraz częstotliwości wobulacji Fw. Przechodzenie pomiędzy kolejnymi ekranami (zatwierdzanie ustawień) odbywa się po naciśnięciu przycisku enkodera SW1. Krok regulacji częstotliwości dFg jest wybierany z listy dozwolonych wartości identycznie, jak to miało miejsce w przypadku obsługi generatora. Podobnie jest z wyborem częstotliwości wobulacji Fw, gdzie dopuszczalne wartości mieszczą się w zakresie 4...10 Hz z krokiem 2 Hz. Natomiast zmiany częstotliwości krańcowych Fl i Fh odbywają się analogicznie, jak w przypadku zmian częstotliwości pracy generatora Fg, jednak z dodatkową kontrolą warunku ograniczenia na Fl<Fh w przypadku zmian obu tych wartości. Ostatni ekran menu wobulatora pozwala wyregulować amplitudę sinusoidalnego napięcia wyjściowego Vout w połowie przemiatanego pasma częstotliwości, czyli dla Fg=(Fl+Fh)/2. Po wyjściu z tego ekranu menu program powracamy do regularnego trybu wobulacji, w którym wyświetlane są częstotliwości Fl i Fh a żadna regulacja programowa nie jest możliwa.
Do prawidłowego zastosowania wobulatora razem z oscyloskopem pracującym w trybie „X/Y” konieczne jest ustawienie zakresu wartości piłokształtnego napięcia sterującego wejściem „X” oscyloskopu, wyprowadzonego na port P4 układu (wyjście SYNCHRO przyrządu). Do tego celu służy potencjometr montażowy PR1 (fotografia 4, druga część artykułu). Sygnał SYNCHRO, generowany w opisywanym przyrządzie, mieści się w zakresie od 0 do +5 V, jednak z uwagi na dobór elementów R15 i PR1 maksymalna wartość szczytowa, możliwa do uzyskania na porcie P4, to około 4,5 V. Ponieważ współczesne oscyloskopy, wyposażone w wejście odchylania poziomego X, mają zwykle możliwość dość szerokiej regulacji wzmocnienia i offsetu także dla tego kanału, rozsądne wydaje się wyregulowanie PR1 na taką wartość szczytową sygnału SYNCHRO, aby uzyskać jak najlepsze warunki do jego dalszego wykorzystania poprzez skalowanie, przesunięcie i – finalnie – dogodną obserwację pełnego zakresu rysowania interesujących nas charakterystyk. Dlatego proponowane do ustawienia na porcie P4 wartości szczytowe, to np. 1, 2 albo 4 V.
Fotografia 10 pokazuje przykładowe oscylogramy sygnałów: X (napięcie piłokształtne – odchylanie poziome) oraz Y”(wyjście sygnału sinusoidalnego) w trybie wobulatora pracującego z parametrami: Fl=50 Hz, Fh=500 Hz oraz szybkością wobulacji Fw=10 Hz. Natomiast fotografia 11 pokazuje przykład rezultatów strojenia i pomiaru charakterystyki przenoszenia filtru pasmowo-przepustowego KF na pasmo 80m (częstotliwość środkowa filtru, to 3,65 MHz). Pomiaru dokonano za pomocą sondy logarytmicznej AVT-1962 w zakresie częstotliwości od 3,25 do 4,05 MHz, przy czym jedna podstawowa działka na osi X, to 100 kHz w dziedzinie częstotliwości, a na osi Y główna jednostka, to 2 dB w skali logarytmicznej dla transmitancji mierzonego czwórnika. Wobulator pracował z częstotliwością przemiatania Fw=4 Hz, natomiast oscyloskop próbkował mierzoną charakterystykę z prędkością Sa=12,5 kHz.
Na koniec należy dodać, że jeśli jako wyjście generatora-wobulatora używamy wyłącznie sygnał cyfrowy (wyjście DIGI 0/5 V), to potencjometr regulacji poziomu sygnału analogowego (sinusoidalnego) można ustawić na minimum (0 V na wyjściu SINE). Natomiast jeśli do wysterowania badanego układu używamy wyłącznie sygnału sinusoidalnego, to wyjście cyfrowe DIGI 0/5 V”można całkowicie wyłączyć. Załączanie i odłączanie cyfrowego wyjścia przyrządu dokonujemy sprzętowo – za pomocą jumpera JP201.
Podsumowanie projektu
Zaprezentowany w artykule przyrząd powstał na drodze modernizacji generatora-wobulatora AVT5580. W nowym projekcie uwzględniono oczekiwania zgłaszane przez użytkowników. Należały do nich przede wszystkim optymalizacja parametrów i warunków pracy wzmacniacza wyjściowego oraz wzmacniacza piłokształtnego sygnału odchylania poziomego X dla wobuloskopowego trybu pracy. Poprawiono także obsługę enkodera obrotowego oraz zwiększono czytelność i wygodę obsługi menu konfiguracyjnych. Zastosowanie mikrokontrolera o nieco większych możliwościach pozwoliło także na optymalizację całego oprogramowania sterującego, które zostało napisane „od zera” w języku C na platformę AVR i skompilowane kompilatorem AVR-GCC. Takie podejście otworzyło też szeroką drogę do dalszych prac rozwojowych nad opisanym przyrządem.
W nowej odsłonie generatora niezmiennie zachowano również rozsądny kompromis pomiędzy sporym wachlarzem możliwości technicznych, ergonomią obsługi, prostotą wykonania oraz niskim kosztem i łatwością zdobycia potrzebnych podzespołów i elementów. W szczególności, podtrzymano także możliwość alternatywnego zastosowania jednego z dwóch łatwo dostępnych na rynku modułów generatorów DDS z układem AD9850. Przydatnymi uzupełnieniami zaprezentowanego urządzenia w trybie pracy wobulatora mogą być projekty: prostej logarytmicznej sondy pomiarowej AVT1962 (https://serwis.avt.pl/manuals/AVT1962.pdf) oraz półprofesjonalnej sondy pomiarowej z układem AD8307. Drugi z wymienionych projektów w chwili pisania tych słów jest w trakcie przygotowania do publikacji.
Adam Sobczyk SQ5RWQ
sq5rwq@gmail.com
