Zásuvný modul DDS generátora s AD9854
Ako prvý bol vyvinutý modul s obvodom AD9854. Vzorky tohoto obvodu sa mi podarilo získať ešte začiatkom roku 2000 ako úplnú novinku priamo od firmy Analog Devices. Pár mesiacov na to sa mi podarilo oživiť malý modul s týmto syntezátorom, vtedy riadený narýchlo napísaným programom cez paralelný port PC. Bohužiaľ vysoké pracovné zaťaženie a absencia schopného programátora znamenala, že modul sa nikdy nedočkal finálnej verzie. Svoju „reinkarnáciu“ zažil až teraz a prinášam jeho konštrukciu.
Obvod AD9854
AD9854 v púzdre ASQ dokáže pracovať s maximálnou hodinovou frekvenciou 300MHz takže teoreticky umožňuje generovať sínusové signály až do frekvencie 150MHz. Ladiace slovo má 48 bitov pre frekvenciu a 14 bitov pre fázu, čo umožňuje ladiť frekvenciu s krokom približne 1mHz a fázu s krokom 0,02°. Obvod v púzdre AST má horšie tepelné vlastnosti a dokáže pracovať len s nižšou hodinovou frekvenciou do 200MHz. Tomu treba samozrejme prispôsobiť aj rekonštrukčný filter.
Zjednodušená verzia obvodu AD9854 má typové označenie AD9852. Na rozdiel od AD9854 obsahuje len jeden DDS kanál a druhý D/A prevodník je využitý len ako univerzálny zdroj napätia/prúdu. Obvod je plne pinovo kompatibilný s AD9854 a môže byť použitý v popisovanej konštrukcii.
Vnútorná štruktúra obvodu AD9854 je znázornená na obrázku 5.
Obrázok 5: Vnútorná štruktúra obvodu AD9854 (zdroj: katalógový list firmy Analog Devices)
AD9854 je vybavený dvoma výstupnými DA prevodníkmi s rozlíšením 12 bitov, ktoré generujú dva diferenciálne, navzájom o 90° fázovo posunuté signály (kvadratúrny signál). Tieto je možné použiť napríklad pri generácii SSB signálov, alebo v digitálnych prijímačoch/vysielačoch. Pre aplikácie, kde nie je potrebný kvadratúrny signál je možné jeden z prevodníkov odpojiť od jadra DDS a použiť ako univerzálny riadený zdroj napätia alebo prúdu.
Obvod je vybavený funkciou automatickej kompenzácie amplitúdy v závislosti na generovanej frekvencii (tzv. INV. SINC filter), ktorá potláča efekt funkcie Sin(x)/x na výstupnú amplitúdu DA prevodníka.
Vstavaný rýchly komparátor so šírkou pásma až 400MHz umožňuje konverziu sínusového signálu na obdĺžnikový, čo je možné využiť napríklad na generáciu harmonických zložiek základnej pracovnej frekvencie, alebo generáciu digitálnych signálov s riaditeľnou striedou pre rôzne číslicové obvody.
Referenčná frekvencia môže byť do AD9854 privedená priamo, alebo je možné využiť vnútorný fázový záves na násobenie hodinovej frekvencie v rozsahu 4 až 20x.
Obvod je možné programovať po sériovej, alebo paralelnej zbernici. Extrémne rýchle paralelné ovládanie umožňuje zapisovať riadiace hodnoty s opakovacou frekvenciou až 100MHz.
AD9854 je napájaný zo zdroja napätia 3,3V s maximálnym odberom 1200mA. Pomerne vysoký stratový výkon čipu pri plnej záťaži je preto nutné zohľadniť pri konštrukcii zapojenia.
Technické parametre modulu s AD9854:
Výstupná frekvencia: 0-120MHz
Krok ladenia: 1/248 referenčnej frekvencie (1mHz pre fref = 300MHz)
Regulácia amplitúdy: 0 až 0,9998 referenčného prúdu
Krok regulácie amplitúdy: 0,024%
Výstup TTL signálu s riaditeľnou striedou: 5-95%
Modulácia: amplitúdová, frekvenčná, fázová
Maximálny výstupný výkon: -6dBm
Ako už bolo spomenuté, modul DDS je súčasťou vysokofrekvenčného generátora. Snažil som sa ho navrhnúť univerzálne, aby jeho jednotlivé časti boli využiteľné aj samostatne. DDS čip so všetkými potrebnými obvodmi na jeho funkciu je preto umiestnený na samostatnej doske plošného spoja osadenej dátovým a napájacími konektormi.
Obvodové riešenie (obrázok 6) viacmenej kopíruje výrobcom doporučené zapojenie. Doska je navrhnutá tak, aby dala užívateľovi možnosť zvoliť niektoré dôležité signálové cesty jednoduchým naletovaním skratovacieho rezistora, alebo naopak zablokovať funkcie naletovaním terminačného rezistora 50Ohm.
Obrázok 6: Schéma zapojenia modulu DDS s obvodom AD9854
Hodinový signál
Hodinový signál pre syntezátor je buď generovaný priamo na module DDS kryštálovým oscilátorom, alebo môže byť privedený z externého zdroja cez konektor CON4. AD9854 je vybavený diferenciálnym vstupom hodinového signálu, ktorý ale nie je pre našu aplikáciu nutný. Trvalým uzemnením pinu DIFF_CLK_ENABLE syntezátora je preto zvolený nesymetrický režim príjímača referenčnej frekvencie. Pre kryštálový oscilátor je potrebné zaletovať prepojku R1 a neosadiť R11. V prípade použitia externého oscilátora sa osadí skrat ako R11 a neosadí sa R1. Impedančné prispôsobenie externého vstupu hodinovej frekvencie zabezpečuje rezistor R14. Rezistor R14 nie je pri použití interného oscilátora potrebné osadzovať.
Pri napájaní modulu hodinovým signálom z VF generátora je vhodné posunúť jeho jednosmernú zložku do polovice digitálneho napájacieho napätia. Pre správnu funkciu je takisto nutné zabezpečiť dostatočnú rýchlosť prebehu hodinového signálu, inak hrozí zvýšenie fázového šumu DDS generátora až jeho nesprávna funkcia.
AD9854 obsahuje interný fázový záves, ktorý umožňuje násobiť frekvenciu privedeného hodinového signálu v rozsahu 4 až 20x. Možnosti využitia kryštálových oscilátorov pre prevádzku syntezátora s rôznymi hodinovými frekvenciami sú uvedené v tabuľke 3.
Tabuľka 3: Frekvenčné plánovanie pre rôzne pracovné frekvencie DDS
Výstupné DA prevodníky
Výstupné DA prevodníky syntezátora majú prúdový výstup s plným rozsahom 5 až 20mA. Výstupný prúd sa nastavuje externým rezistorom (R6) pripojeným ku pinu DAC RSET syntezátora. Veľkosť prúdu je daná vzťahom
(4)
kde RSET predstavuje hodnotu riadiaceho rezistora v kOhm a IOUT veľkosť prúdu pre plný rozsah prevodníka v mA. Pri nastavovaní výstupného prúdu je ale potrebné vziať na zreteľ fakt, že zvyšovanie prúdu prevodníka zhoršuje odstupy rušivých signálov a teda aj čistotu výstupného spektra syntezátora. Výrobcom doporučená hodnota pracovného prúdu pre optimálne pracovné parametre obvodu je 10mA.
Z praktických dôvodov som zvolil ako nominálny výstupný výkon 0Bm (nezaťažený výstup), čo zodpovedá špičkovému napätiu 632mV na zaťažovacom rezistore 50Ohmov. Prúd prevodníka je teda nastavený na hodnotu cca. 13mA rezistorom R6 s hodnotou 3,1k. Ako R6 dobre poslúži paralelná kombinácia 5k6 a 6k8 naletovaných na sebe. Pri zaťažení filtra nasledujúcim stupňom výstupný výkon logicky klesne o 6dB na -6dBm.
Výstupy prevodníkov syntezátora sú opäť diferenciálne, čo poskytuje radu výhod pre profesionálne aplikácie. Pre modul DDS som sa ale rozhodol využiť len nesymetrický výstupný signál. Čiastočne sa tým zhorší odstup rušivých signálov a „presakovanie“ hodinovej frekvencie na výstup. Vyhneme sa tak použitiu širokopásmového vysokofrekvenčného transformátora.
Ako už bolo spomenuté, prevodníky majú prúdový výstup s veľmi vysokou výstupnou impedanciou. Voľbou hodnoty zaťažovacieho rezistora (R7) je teda možné určiť výstupnú impedanciu týchto prevodníkov. V našom prípade je DDS čip použitý v 50-ohmovom systéme, takže je na výstup pripojený zodpovedajúci rezistor s hodnotou 50 Ohmov. Veľkosť tohoto rezistora je obmedzená maximálnym povoleným napätím na výstupe prevodníka, ktoré je možné nájsť v katalógovom liste obvodu.
Rekonštrukčný filter
Výstupný signál DDS je privedený do rekonštrukčného filtra, ktorého úlohou je potlačiť nežiadúce produkty DA prevodu. Vo väčšine aplikácií je na tomto mieste použitý dolnopriepustný filter, ktorý “vyberá” len základné frekvenčné pásmo (nula až fREF/2). Pre špecifické aplikácie je ale možné iným typom filtra vybrať vyššie pásmo (napríklad fREF až 3/2 fREF a podobne).
Rekonštrukčný filter je osadený SMD kondenzátormi aj indukčnosťami štandardných hodnôt, ktoré sú by mali byť ľahko dostupné. Pri výbere indukčností do filtra nesmieme zabudnúť, že výstupné spektrum DA prevodníkov siaha až do oblasti jednotiek GHz (viď obrázok 3), takže cievky aj kondenzátory musia mať dostatočne vysokú vlastnú rezonančnú frekvenciu. Väčšina komerčne dostupných SMD cievok s hodnotami 68 a 82nH vo veľkosti cca. 1206 má vlastnú rezonačnú frekvenciu v oblasti 1-2GHz. V prípade záujmu o vylepšenie parametrov filtra je ale samozrejme možné SMD indukčnosti nahradiť klasickými vinutými cievkami. Tieto môžu mať vyššiu kvalitu v pásme prepúšťania a v okolí zlomovej frekvencie, ale sú mechanicky veľké, takže môžu mať horšie vlastnosti v pásme tlmenia. Výstup z filtra je vyvedený na výstupný konektor CON1.
Zmeraná frekvenčná charakteristika zrealizovaného rekonštrukčného filtra osadeného indukčnosťami Midi Spring firmy Coilcraft je na obrázku 7.
Obrázok 7: Zmeraná frekvenčná charakteristika realizovaného rekonštrukčného filtra
Výstup digitálneho signálu - komparátor
DDS čip je vybavený rýchlym komparátorom so šírkou pásma cca. 400MHz, ktorý poskytuje digitálny signál s CMOS úrovňami zodpovedajúcimi napájaciemu napätiu 3,3V. Na module DDS je využitý na generovanie digitálneho signálu s riaditeľnou striedou. Signál pre komparátor sa odoberá priamo za rekonštrukčným filtrom cez jednosmernú väzbu, takže výstupná frekvencia môže ležať v plnom rozsahu nula až 120MHz. Výstup komparátora je oddelený ochrannými invertormi IC2 a privedený na výstupný konektor CON3. Invertory zároveň plnia úlohu prevodníka úrovní CMOS 3,3V na TTL 5V.
V prípade využitia komparátora je potrebné osadiť prepojku R12 a neosadiť zakončovací rezistor R9 a naopak.
Riadiace signály
Všetky potrebné riadiace signály DDS čipu sú vyvedené na konektore CON5. Podľa potreby je možné modul programovať cez sériové, alebo paralelné rozhranie, ktoré sa prepína úrovňou na pine 32 (viď katalógový list obvodu AD9854).
Napájanie a plošný spoj
Napájacie napätia pre syntezátor sú privedené cez konektory CON6 (digitálne) a CON7 (analógové). Na doske nie sú umiestnené žiadne lokálne stabilizátory.
Plošný spoj pre DDS modul predstavuje kritickú časť konštrukcie generátora. Vzhľadom na vysoké pracovné frekvencie obvodu (300MHz), rýchle digitálne signály šíriace sa na doske a výstupný rekonštrukčný filter bolo potrebné venovať návrhu plošného spoja zvláštnu pozornosť.
Bohužiaľ nevyhnutnosťou bolo použiť trojvrstvový plošný spoj. Jeho stredná vrstva je tvorená súvislou zemnou rovinou, ktorá jednak zabezpečuje nízkoimpedančnú referenčnú zemnú rovinu (a teda dobré vysokofrekvenčné vlastnosti celého modulu), ale aj odvod tepla generovaného čipom DDS.
Spodná vrstva je využitá najmä na rozvod napájacích napätí so všetkými prislúchajúcimi blokovacími kondenzátormi. Priamo pod DDS čipom je vytvorený zemný ostrovček prepojený množstvom prekovených dier so strednou vrstvou. Vyplnením týchto dier cínom sa výrazne zlepší odvod tepla z vrchnej vrstvy.
Na plošnom spoji sú pripravené 4 otvory (vzdialenosť dier 23x23mm) pre upevnenie pasívneho chladiča pre DDS čip. Napriek tomu, že na doske plošných spojov sú dodržané odporúčania výrobcu o chladení, DDS čip sa už pri frekvenciách okolo 200MHz výrazne prehrieva a pre 300MHz je použitie dostatočne dimenzovaného externého chladiča nutnosťou.
Osadenie a oživenie modulu
Plošný spoj má síce komplikovanejšiu konštrukciu, ale bol navrhnutý tak, aby sa dal osadiť a oživiť bez väčšej námahy a použitia špeciálnych prístrojov aj menej skúseným užívateľom.
Pre zlepšenie odvodu tepla je vhodné vyplniť spomínané prekovené diery pod DDS čipom cínom. Vzhľadom na to, že kontaktná plocha medzi hornou vrstvou plošného spoja a DDS čipom musí byť z dôvodu dobrého prestupu tepla perfektne plochá, diery vyplníme cínom zo spodnej strany plošného spoja. Pri spájkovaní je ale nutné postupovať opatrne, aby cín nevytiekol až na vrchnú stranu. Ak sa tak stane, je nutné plochu vyhladiť a prebytočný cín odstrániť napríklad skalpelom. Zbytky tavidla sa umyjú alkoholom, na ostrovček pod DDS čipom sa nanesie primerané množstvo teplovodivej pasty a môže sa osadiť obvod AD9854.
V prípade použitia prídavného pasívneho chladiča sa tento nalepí teplovodivým lepidlom, alebo namontuje skrutkami cez 4 pripravené otvory.
Pokračujeme už klasicky osadením ostatných súčiastok na hornej strane, potom na spodnej strane a nakoniec osadíme konektory.
Vačšina SMA konektorov do plošného spoja má plochú spodnú prírubu, ktorá môže skratovať signálový vodič ku strednému pinu vedený popod ňu. Je preto vhodné nechať medzi DPS a spodnou stranou konektora malú medzeru (0.5-1mm).
Jednotlivé vrstvy plošného spoja
sú znázornené
na obrázkoch 8 až 10. Osadzovací plán pre vrchnú stranu DPS je na
obrázku 11
a pre spodnú stranu na obrázku 12. Fotografia skompletizovaného
modulu je
na obrázku 13.
 Obrázok 8: Plošný spoj – strana spojov |
 Obrázok 9: Plošný spoj – stredná strana |
|
|
 Obrázok 11: Osadzovací plán – strana spojov |
 Obrázok 12: Osadzovací plán – strana súčiastok |
 Obrázok 13: Osadený modul DDS
generátora
s čipom AD9854
|
Namerané parametre
Na záver kapitoly o module
DDS prikladám
zopár nameraných parametrov realizovaného modulu.
Obrázok 14: Detail frekvenčnej charakteristiky rekonštrukčného filtra v okolí prechodu do pásma útlmu
Obrázok 15: Typické spektrum výstupného signálu (fREF=300MHz, fOUT=49.6MHz)
Obrázok 16: Takmer ideálne spektrum výstupného signálu. fREF=300MHz, fOUT=75.8MHz
Význam rekonštrukčného filtra najlepšie znázorňujú zmerané priebehy na obrázkoch 17 a 18. Vrchný signál na obrázku 17 má frekvenciu približne 39MHz, čo pri hodinovej frekvencii syntezátora 300MHz znamená, že je zložený len zo 7 vzoriek. Dolný priebeh znázorňuje ten istý signál po prechode reknštrukčným filtrom.
Ešte horší prípad nastáva keď sa približujeme ku polovici hodnoty hodinovej (vzorkovacej) frekvencie. Signál na obrázku 18 vľavo má frekvenciu približne 100MHz a tvoria ho už len 3 vzorky. Je zrejmé že sa na sínus podobá len s veľmi veľkou mierou abstrakcie. Po prechode dostatočne strmým rekonštrukčným filtrom sa z neho síce ešte dá odfiltrovať základná frekvencia (obrázok 18 vpravo), ale ďalšie rozširovanie generovaného frekvenčného pásma je už značne komplikované a silne závislé na parametroch filtra. Nesmieme totiž zabudnúť na prvú „zrkadlovú“ frekvenciu, ktorá je zrkadlovo symetrická okolo frekvencie fREF/2 a má takmer rovnakú amplitúdu ako základný signál (obrázok 4 z úvodu seriálu).
Z tohoto dôvodu sa preto pre bežné aplikácie nedoporučuje používať DDS čipy na generovanie frekvencií vyšších ako 1/3 hodinovej frekvencie.
Obrázok 17: Nefiltrovaný výstupný signál z čipu AD9854. fREF=300MHz, fOUT=39MHz
Obrázok 18: Výstupný signál z čipu AD9854 pred a po prechode rekonštrukčným filtrom. fREF=300MHz, fOUT=100MHz
Zoznam súčiastok pre modul DDS s AD9854:
|
Súčiastka |
Hodnota |
Typ/veľkosť |
Poznámka |
|
C1 |
10u/6.3V |
Veľkosť B |
Tantalový SMD kondenzátor |
|
C2 |
10n |
1206 |
|
|
C3 |
10n |
1206 |
|
|
C4 |
27pF |
1206 |
Materiál NP0 |
|
C5 |
47pF |
1206 |
Materiál NP0 |
|
C6 |
39pF |
1206 |
Materiál NP0 |
|
C7 |
22pF |
1206 |
Materiál NP0 |
|
C8 |
2.2pF |
1206 |
Materiál NP0 |
|
C9 |
12pF |
1206 |
Materiál NP0 |
|
C10 |
8.2pF |
1206 |
Materiál NP0 |
|
C11 |
100n |
0805 |
|
|
C12 |
4.7n |
0805 |
|
|
C13 |
10u/6.3V |
Veľkosť B |
Tantalový SMD kondenzátor |
|
C14 |
10u/6.3V |
Veľkosť B |
Tantalový SMD kondenzátor |
|
C15 |
33u/6.3V |
Veľkosť C |
Tantalový SMD kondenzátor |
|
C16 |
33u/6.3V |
Veľkosť C |
Tantalový SMD kondenzátor |
|
C17 |
4.7n |
0805 |
|
|
C18 |
100n |
0805 |
|
|
C19 |
100n |
0805 |
|
|
C20 |
4.7n |
0805 |
|
|
C21 |
4.7n |
0805 |
|
|
C22 |
4.7n |
0805 |
|
|
C23 |
100n |
0805 |
|
|
C24 |
4.7n |
0805 |
|
|
C25 |
100n |
0805 |
|
|
C26 |
100n |
0805 |
|
|
C27 |
100n |
0805 |
|
|
C28 |
4.7n |
0805 |
|
|
C29 |
33u/6.3V |
Veľkosť C |
Tantalový SMD kondenzátor |
|
C30 |
10u/6.3V |
Veľkosť B |
Tantalový SMD kondenzátor |
|
C31 |
10u/6.3V |
Veľkosť B |
Tantalový SMD kondenzátor |
|
CON1 |
|
SMA |
Vertikálny SMA konektor do plošného spoja |
|
CON3 |
|
SMA |
Vertikálny SMA konektor do plošného spoja |
|
CON4 |
|
SMA |
Vertikálny SMA konektor do plošného spoja |
|
CON5 |
2x20 |
MA20-2 |
Pinová lišta |
|
CON6 |
2x6 |
MA06-2 |
Pinová lišta |
|
CON7 |
2x6 |
MA06-2 |
Pinová lišta |
|
IC1 |
AD9854 |
SQFP-S-1 |
|
|
IC2 |
74ACT00 |
SO14 |
|
|
L1 |
82nH |
1206 |
Napr. Coilcraft Midi Spring. Vyhovuje aj veľkosť 0805, 1206 |
|
L2 |
68nH |
1206 |
Napr. Coilcraft Midi Spring. Vyhovuje aj veľkosť 0805, 1206 |
|
L3 |
68nH |
1206 |
Napr. Coilcraft Midi Spring. Vyhovuje aj veľkosť 0805, 1206 |
|
QG1 |
XO-14 |
DIL14S |
Použiť podľa potreby |
|
R1 |
0/nc |
1206 |
Osadiť podľa potreby, viď. text |
|
R2 |
50 |
1206 |
Na miestach 50R vyhovujú aj hodnoty 47R alebo 51R |
|
R3 |
50 |
1206 |
|
|
R4 |
50 |
1206 |
|
|
R5 |
1.3k |
1206 |
|
|
R6 |
3.1k |
1206 |
5.6k a 6.8k naletovať paralelne na seba |
|
R7 |
50R |
1206 |
|
|
R8 |
50R |
1206 |
|
|
R9 |
nc/50 |
1206 |
Osadiť podľa potreby, viď. text |
|
R10 |
50 |
1206 |
Osadiť podľa potreby, viď. text |
|
R11 |
nc/0 |
1206 |
Osadiť podľa potreby, viď. text |
|
R12 |
0/nc |
0805 |
Osadiť podľa potreby, viď. text |
|
R13 |
50 |
1206 |
|
Vzhľadom na „menej obvyklé“ komponenty použité v konštrukcii uvádzam pár kontaktov na firmy, kde ich možno získať:
- dosky plošných spojov pre celý generátor (modul DDS, atenuátor a zosilňovač, klávesnica a doska riadiaceho procesora) firma Printed, tel.: +420 315 670 137, e-mail: printed@printed.cz
- DDS čipy od Analog Devices sa dajú v kusovom množstve kúpiť napríklad u firmy Amtek (www.amtek.cz)
- Indukčnosti Coilcraft dodáva napríklad firma Elektronické součástky Ing. Vlastimil Jarolímek s.r.o. (www.elsou.cz).