10-MHz-DDS-Funktionsgenerator DDS 110 Teil 1/2
Aus ELVjournal
01/2007
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Technische Daten
| Frequenzbereich | 0,1 Hz bis 10 MHz (Sinus), 0,1 Hz bis 1 MHz (Dreieck, Rechteck) |
| Schrittweite | 0,1 Hz |
| Genauigkeit | 25 ppm, kalibrierbar |
| Signal-Ausgang: | |
| Pegel (Sinus/Dreieck) | 0 Vss bis ca. 1,1 Vss |
| Grenzfrequenz (-3 dB) | 0,1 Hz … 9,3 MHz (DC-Kopplung), 8,0 Hz … 9,3 MHz (AC-Kopplung) |
| Pegel (Rechteck) | 0 Vss bis ca. 3,0 Vss |
| Modulationsarten | FSK (Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying), ASK (Amplitude Shift Keying), AM (Amplitude Modulation) |
| Frequenz-/Phasenhub | ±0,1 Hz bis ±10 MHz/1° bis 359° |
| Modulationsfrequenz | 1 Hz bis 5 kHz |
| Modulationsquelle | intern, extern |
| Wobbelbereich | 0,1 Hz bis 10 MHz |
| Wobbelfrequenz | 0,1 Hz bis 20 Hz |
| PLL-Faktor | 1 bis 2048 |
| ZF-Korrektur | -2 GHz bis 2 GHz |
| Spannungsversorgung | USB-Bus-powered 5 VDC/300 mA |
| Abmessungen | 170 x 97 x 30 mm |
Der
DDS 110 ist ein programmierbarer Funktionsgenerator, der nach dem
DDS-Prinzip (direct digital synthesis) arbeitet, bei dem ein Sinussignal
digital generiert wird. Neben dem so erzeugten Sinussignal kann er aber
auch ein Dreieck- und ein Rechtecksignal liefern. Die gesamte Bedienung
des DDS 110 erfolgt via USB über eine PC-Software. Die Ausgangsfrequenz
lässt sich im Bereich von 0,1 Hz bis 10 MHz in 0,1-Hz-Schritten
einstellen, auch eine Einstellung der Amplitude ist mit der PC-Software
möglich. Schließlich stellt er auch eine Wobbel- und Modulationsfunktion
zur Verfügung und ermöglicht automatisierte Signalausgaben.Vom Labor-Generalisten zum PLL-Empfänger-Herzstück
Ja,
der Einsatzbereich dieses neuen DDSSignalgenerators, der die
erfolgreiche Serie der DDS-Funktionsgeneratoren von ELV fortsetzt, ist
traditionell weit gefächert. Er bildet, um einige Funktionen erweitert
und mit verbesserten technischen Daten, das rein PC-gesteuerte Pendant
zum Standalone- DDS-Generator DDS 10. Damit reiht sich der DDS 110
erfolgreich und gleichwertig in moderne PC-Labortechnik ein, wie wir sie
etwa bereits weit verbreitet in Form der PC-Digitaloszilloskope und
PC-DMMs finden. Gegenüber vielen verfügbaren DDSGeneratoren sticht
dieser hier besonders durch die zusätzlich zum Sinussignal vorhandene
Ausgabe von Dreieck- und Rechtecksignalen sowie die umfangreichen
Modulations- und Wobbelmöglichkeiten hervor. Und natürlich lässt sich
auch dieser Baustein als Zeitbasis für PLL-Systeme bzw. als
frequenzbestimmendes Herzstück von hochwertigen Empfänger-Eigenbauten
nutzen. Gerade für diese Anwendungsgebiete ist die Ausführung des DDS
110 als bedienelemente- und displaylose Baugruppe ideal für eine
Integration in Empfängerkonzepte und kommt dabei etwa den selbst
bauenden Funkamateuren (bei denen sich die Vorgängermodelle höchster
Beliebtheit erfreuten) sehr entgegen. Zudem erobern sich die
Software-definierten Empfängerkonzepte mit komplettem Frontend auf dem
PC-Bildschirm immer mehr das Feld bei Kurzwellenhörern, Funkamateuren
und im professionellen Bereich.Aber
auch aus dem Laborbetrieb sind derar tige Konzepte nicht mehr
wegzudenken, zumal wenn sie wie hier einigen Komfort für die
Automatisierung von Messabläufen bieten. Denn wie bei der Software des
Vorgängers hat man auch hier die Möglichkeit, ganze Messabläufe zunächst
zu definieren und dann „von der Festplatte weg“ immer wieder zu nutzen.
Da wir bereits früher ausführlich das DDS-Funktionsprinzip beschrieben
haben, wollen wir dies an dieser Stelle nicht wiederholen und verweisen
auf die am Ende der Serie aufgeführten Literaturstellen und wenden uns
zunächst einmal der Bedienung der zum Gerät gehörenden Software zu,
wobei hier auch alle Möglichkeiten des DDS 110 ausführlich dargestellt
werden. Bedienung
Die
Bedienung des DDS 110 erfolgt wie gesagt komplett über die
mitgelieferte PCSoftware. Mit ihr ist ein komfortables und schnelles
Einstellen aller Funktionen möglich. Die Hardware-Verbindung zwischen PC
und dem DDS-Board wird via USB hergestellt. Hierüber erfolgt im Übrigen
auch die Spannungsversorgung des DDS 110.Das Hauptfenster und die Grundfunktionen
|
| Bild 1: Hauptfenster der PC-Software „DDS 110“ |
Frequenzeinstellung
Im
oberen Bereich des Fensters erfolgt die Anzeige der aktuell vom
DDS-Board ausgegebenen Frequenz. Um diese zu verändern, gibt es drei
Möglichkeiten:
1. Durch Anklicken einer Ziffer
mit der linken Maustaste wird diese um eins erhöht. Ein Klick mit der
rechten Maustaste verringert die Ziffer um eins.
2.
Auch mit Hilfe des Mausrads lässt sich die Frequenz einstellen:
Unterhalb der einzelnen Ziffern befinden sich kleine Auswahlfelder. Nach
Selektieren der gewünschten Ziffer über dieses Auswahlfeld bewirkt nun
das Rollen des Mausrades eine Änderung dieser Ziffer. Ein Rollen nach
oben erhöht die Frequenz, ein Rollen nach unten bewirkt das Gegenteil.
3.
Schließlich ist es auch möglich, die Frequenz (in Hz) auch direkt
einzugeben. Dazu ist der gewünschte Wert in das Textfeld „aktuelle
Frequenz“ einzutragen, mit Drücken der Eingabetaste wird die Frequenz
übernommen.
Mit
den beiden Buttons direkt neben der Frequenzanzeige können
Frequenzänderungen mit einer definierten Schrittweite erzeugt werden.
Diese Schrittweite ist zuvor im gleichnamigen Textfeld einzutragen. Ein
Klick auf den oberen Button erhöht die aktuelle Frequenz um die
eingegebene Schrittweite, ein Klick auf den unteren Button verringert
die aktuelle Frequenz entsprechend. Mit den beiden Eingabefeldern
„Minimalfrequenz“ und „Maximalfrequenz“ ist eine manuelle Eingrenzung
der vom DDS 110 am Signal-Ausgang „Signal-out“ erzeugten Frequenzen
möglich. Dies ist etwa bei angeschlossenen Geräten sinnvoll, die vor
einer zu hohen bzw. zu niedrigen Frequenz zu schützen sind. Einstellung der Signalamplitude
Unterhalb
der Frequenzanzeige befindet sich die Amplitudenanzeige, sie zeigt den
momentanen Spitze-Spitze-Wert eines kalibrierten Sinus- bzw.
Dreieck-Ausgangssignals an. Die Ausgangsspannung ist in vier Varianten
einstellbar:
1. Durch einen Klick mit der
linken Maustaste direkt auf eine Ziffer in der Amplitudenanzeige wird
diese wie bei der Frequenzeinstellung um eins erhöht. Der Klick mit der
rechten Maustaste lässt die Ziffer um eins herunterzählen.
2. Auch hier kann man mit dem Mausrad arbeiten, die Vorgehensweise ist identisch zu der der Frequenzeinstellung.
3. Durch die Eingabe in das Textfeld „Amplitude“ kann die Ausgangsspannung direkt definiert werden.
4. Die vierte Möglichkeit der Amplitudeneinstellung ist der Schieberegler am rechten Fensterrand.
Signalform wählen
Im
Fenster „Signalform“ ist die Art der Ausgangsspannung einstellbar. Dazu
stehen die Auswahlfelder „Sinus“, „Dreieck“, „Rechteck“ und „Rechteck
f/2“ zur Verfügung. In der Einstellung „Sinus“ wird automatisch das
Sinusfilter zur Verbesserung der Signalqualität eingeschaltet. Jedoch
besteht auch die Möglichkeit, das Sinusfilter manuell zu deaktivieren.Betriebsart
Die
Betriebsart kann zwischen „Standard“ (einfache, kontinuierliche Ausgabe
des eingestellten Signals), „Wobbeln“ und „Modulation“ umgeschaltet
werden. Die letzteren Betriebsarten werden im Folgenden noch ausführlich
erläutert.Einstellung speichern
Es
besteht die Möglichkeit, eine fertige Einstellung als Profil zu
speichern. Hierfür muss im Eingabefeld „Profilname“ im Fenster „Profil
laden/speichern“ eine eindeutige Bezeichnung vergeben werden. Ferner ist
in der darunter liegenden Auswahlbox ein Speicherplatz zu wählen. Mit
dem Klicken auf den Button „Speichern“ werden alle Einstellungen in
einer vom Programm angelegten Datei gespeichert. Um ein bereits
gespeichertes Profil wieder zu laden, muss dieses in der Auswahlbox
markiert und anschließend mit dem Button „Laden“ bestätigt werden.Erweiterte Einstellungen
|
| Bild 2: Geöffneter Menüpunkt „Einstellungen“ |
Modulation
|
| Bild 3: Erweiterte Einstellungen für die Betriebsart „Modulation“ |
Wobbeln
|
| Bild 4: Die Einstellmöglichkeiten für den Wobbelbetrieb |
PLL-Einstellung
Das
DDS 110 ist, wie bereits eingangs beschrieben, in der Lage, als
Zeitbasis für PLL-Systeme oder Empfänger in Selbstbauprojekten zu
dienen. Dies sei an einem Beispiel erläutert: Ein
Doppel-Superhet-Kurzwellenempfänger soll im Frequenzbereich von 0 bis 30
MHz empfangen, die Zwischenfrequenzen betragen 45 MHz und 455 kHz. Um
den genannten Empfangsbereich zu gewährleisten, muss der erste
Lokaloszillator einen Frequenzbereich von 45 MHz bis 75 MHz
überstreichen (45 MHz - 45 MHz = 0 MHz, 75 MHz - 45 MHz = 30 MHz). Der
dem VCO nachgeschaltete Frequenzteiler habe ein Teilerverhältnis von 8,
womit die Zeitbasis (DDS-Board) im Frequenzbereich von 5,625 MHz bis
9,375 MHz arbeiten muss. Somit ergibt sich für einen derartigen
Empfänger als kleinster Frequenz- Einstellschritt 0,8 Hz (0,1 Hz • 8 =
DDS-Board-Auflösung • PLL-Faktor).
|
| Bild 5: Parameter-Einstellung für den PLL-Betrieb |
Folgende
Parameter, die dafür sorgen, dass die ausgegebene Frequenz gegenüber
der angezeigten Frequenz über einen Offset und einen
Multiplikationsfaktor verändert ist, sind somit einstellbar: -
Teilungsfaktor: Hier ist der Faktor einzugeben, um den der VCO höher
schwingt. Im Allgemeinen ist hier der Teilungsfaktor des Teilers
zwischen VCO und PLLSchaltung einzustellen. - Offset: Die hier
angegebene Frequenz im Bereich von -2 GHz bis +2 GHz ist ein konstanter
„Frequenzversatz“ und entspricht im Allgemeinen dem ZF-Frequenzwert. Aufgabenliste
|
| Bild 6: Aufgabenliste, die so genannte „Playlist“ |
Werkszustand herstellen
Das
DDS-Board kann über den Menüpunkt „Einstellungen ➔ Werkszustand“ in den
Auslieferungszustand zurückgesetzt werden. Anschließend sind folgende
Einstellungen im Gerät hinterlegt:
- Frequenzeinstellung:
- aktuelle Frequenz: 1 kHz
- Minimalfrequenz: 0,1 Hz
- Maximalfrequenz: 10 MHz
- Schrittweite: 0 Hz
- Signalform: Sinus
- Sinusfilter: ein
- Amplitude: 500 mV
- Betriebsart: Standard
- Modulation:
- Quelle/Art: intern/FSK
- Hub: 100 kHz
- Frequenz: 1 kHz
- AM: deaktiviert
- Wobbelfunktion:
- Startfrequenz: 0,1 Hz
- Stoppfrequenz: 10 MHz
- Wobbelfrequenz: 10 Hz
- PLL-Referenz:
- Teilungsfaktor: 1
- Offset: 0 Hz
- Kalibrierung:
- Die Kalibrierung der Oszillatorfrequenz und der Amplitude sind zurückgesetzt.
Schaltung
|
| Bild 7: Schaltbild des DDS-Boards |
Die
Schaltung des DDS-Boards ist in Abbildung 7 dargestellt. Das Schaltbild
der Spannungsversorgung folgt im zweiten Teil dieses Artikels. DDS-Chip und Oszillator
Zentrales
Element dieser Schaltung ist der DDS-Schaltkreis IC 5 vom Typ AD9833.
Dieser wird über seine drei Steuersignal-Eingänge „SCLK“, „SDATA“ und
„FSYNC“ vom Mikrocontroller IC 1 gesteuert und benötigt nur wenige
externe Bauteile zum Betrieb. Die wichtigste externe Komponente ist der
Quarz-Oszillator, der den Mastertakt zur Verfügung stellt. Um den
maximalen Frequenzbereich, den der DDS-Chip zulässt, auszunutzen, ist
eine Taktfrequenz von 25 MHz notwendig. Da die Qualität des Taktsignals
direkten Einfluss auf die Genauigkeit und Stabilität des Ausgangssignals
des DDS-Bausteins hat, wird hier ein integrierter Quarz-Oszillator Q 2
verwendet, der eine maximale Toleranz von ±25 ppm (ppm = parts per
million = 10-6) und auch eine Temperaturstabilität von ±25 ppm besitzt.
Bei der Frequenzstabilität ist noch zu bedenken, dass sich das Gerät
bzw. der Oszillator erst auf Betriebstemperatur erwärmen muss. Daher ist
im Einschaltmoment mit einer erhöhten Frequenzdrift zu rechnen. Nach
ca. drei Minuten ist diese Drift jedoch schon unter 10 ppm gesunken. Das
25-MHz-Taktsignal von Q 2 wird über das nachgeschaltete Filter aus R 30
und C 49 an den Takteingang des DDS-Chips gelegt. Um die Störungen, die
der Quarz-Oszillator in der Versorgungsspannung erzeugt, zu minimieren,
wurde mit der Spule L 2 eine Entkopplung zur +5-V-Betriebsspannung
realisiert. Zusätzlich sind die Kondensatoren C 35 bis C 38 zum
Abblocken und zur Stabilisierung eingesetzt. Die weiteren externen
Komponenten sind die Kondensatoren C 29 bis C 31 und C 39 bis C 43.
Diese dienen alle zur Entkopplung bzw. zum Abblocken der Referenz- und
Betriebsspannung und sind als Staffelblockung aus verschiedenen
Kapazitätswerten beschaltet. Somit wird außerdem die elektromagnetische
Ausstrahlung des DDS-Chips verringert. Über „VOUT“ (Pin 10) steht das
Ausgangssignal des DDS-Bausteins IC 5 zur Verfügung. Je nach Einstellung
durch den Mikrocontroller wird an diesem Ausgang ein Sinussignal, ein
Dreieck- oder ein Rechtecksignal vom AD9833 bereitgestellt.Sinusfilter
Direkt
nach dem Signal-Ausgang „VOUT“ befindet sich ein Filter, das aus den
Bauteilen L 3, C 32, L 4, C 33, L 5, C 34 aufgebaut ist. Das Filter
besitzt eine Grenzfrequenz von ca. 11 MHz und sorgt für eine Filterung
von „ungewollten“ Signalanteilen auf dem Ausgangssignal. Da es sich beim
DDS-Verfahren im Prinzip um eine digitale Signalerzeugung mittels
Digital-Analog-Wandlung handelt, ist das Ausgangssignal beispielsweise
mit entsprechenden „Rückständen“ des Taktsignals verunreinigt. Jedoch
wird das Filter nur bei der Erzeugung eines Sinussignals benötigt, bei
den Signalformen Dreieck und Rechteck würde das Filter zu erheblichen
Signalverzerrungen führen. Aus diesem Grund wird das Filter bei diesen
Signalformen mit Hilfe des Relais REL 1 überbrückt.Endstufe
Nach
dem Sinusfilter wird das Ausgangssignal über den Spannungsteiler aus R
21 und R 27 an die Endstufe IC 6 vom Typ LMH6503MA weitergeleitet. Der
Verstärkungsfaktor dieser Endstufe lässt sich mittels einer an Pin 2
angelegten Spannung steuern. Die Diode D 15 schützt den Endstufeneingang
vor Spannungen größer 720 mV. Mit der im Eingangsbereich der Endstufe
liegenden Lötbrücke JP 1 kann man auswählen, ob das vom DDSChip kommende
Ausgangssignal mit einem DC-Offset versehen sein oder als reines
AC-Signal anliegen soll. Wird diese Brücke geschlossen, hat das
Ausgangssignal zwar einen DC-Offset, jedoch ist nun der gesamte
Frequenzbereich bis hinunter zu 0,1 Hz nutzbar. Im geöffneten Zustand
der Brücke erfolgt eine kapazitive Entkopplung des Ausgangssignals über C
28. Der DC-Anteil des Signals wird dadurch eliminiert, allerdings liegt
nun die untere Grenzfrequenz bei 8 Hz, d. h., dass Signale mit einer
Frequenz von unter 8 Hz entsprechend gedämpft werden. Mit den beiden
Widerstandstrimmern R 15 und R 25 und den Spannungsteilern R 19, R 20
bzw. R 28, R 29 kann an der Endstufe LMH6503MA ein Offsetabgleich
durchgeführt werden. Auf diesen Abgleich wird noch im Abschnitt
„Inbetriebnahme und Kalibrierung“ näher eingegangen werden. Um eine
definierte Ausgangsimpedanz von 50 Ohm zu erhalten, sind zwischen dem
Ausgang von IC 6 (Pin 10) und der Buchse BU 5 die beiden
100-Ω-Widerstände R 24 und R 26 parallel eingesetzt. Im nächsten Teil
wird die Schaltungsbeschreibung fortgesetzt sowie der Nach bau, die
Inbetriebnahme und Kalibrie rung, die Endmontage, der Anschluss und
Einbau beschrieben.Fachbeitrag online und als PDF-Download herunterladen
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- 10-MHz-DDS-Funktionsgenerator DDS 110 Teil 1/2
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