Программируемый генератор сигналов dds

Программируемый генератор сигналов dds

СмартПульс — держите руку на пульсе высоких технологий! То, что доктор прописал!
Характеристики, тесты, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций и компонентов

Главная — DIY (Сделай сам!) — DDS генератор сигналов FY6800 — тест и обзор

DDS генератор сигналов FY6800 — тест и обзор. Универсальный солдат

Обзор посвящен DDS генератору сигналов FY6800 китайской компании FeelElec Technology Co.

В обзоре будут приведены его технические характеристики, кратко описана схемотехника, сделаны тесты, представлены осциллограммы, сделаны полезные выводы и даны рекомендации по практическому применению.

Кроме того, будет объяснено, что такое джиттер и откуда он возникает в DDS генераторах сигналов.

Предисловие: что такое DDS генератор сигналов

Генераторы сигналов с появлением цифровой техники и цифро-аналоговых преобразователей в прошлом веке вступили в новую эру: стало возможным создание «генераторов сигналов любой формы».

Достигается такая возможность за счет записи формы сигнала в цифровом виде и последующем его воспроизведении через цифро-аналоговые преобразователи с частотой, задаваемой пользователем.

Приборы, использующие такой принцип работы, именуются DDS генераторы сигналов; где DDS — это аббревиатура от слов Direct Digital Synthesis , т.е. цифровой вычислительный синтезатор (если переводить осмысленно).

Тестируемый DDS генератор FY6800 принадлежит к серии из трёх родственных генераторов с очень близкими параметрами, в которую входят генераторы FY6600, FY6800 и FY6900.

Генератор FY6800 выпускается в 4-х разных модификациях: FY6800-20M, FY6800-30M, FY6800-50M и FY6800-60M. Последние три модификации отличаются только предельными частотами генерации синусоидального сигнала (от 30 до 60 МГц); в то время как младшая модификация ( FY6800-20M ) имеет пониженные частоты генерации как для синуса, так и для некоторых других видов сигналов.

(изображение с официального сайта производителя; кликнуть для увеличения)

Такие генераторы позволяют заменить одним устройством сразу несколько типов генераторов: низкочастотный генератор сигналов (звуковых), генератор импульсных сигналов, генератор сигналов специальной формы, генератор частотно-модулированных сигналов, генератор амплитудно-модулированных сигналов, высокочастотный генератор сигналов (в последнем случае необходимо предварительно внимательно проверить требуемый частотный диапазон).

В обзоре будет протестирован генератор в максимальной конфигурации: FY6800-60M (предельная частота синусоидального сигнала до 60 МГц). Цена на момент обзора — $89 ( 6750 российских рублей ) , приобрести можно в официальном магазине компании FeelElec на Алиэкспресс.

Основные технические характеристик и DDS генератора сигналов FY6800 -60M :

В таблице приведена лишь небольшая часть характеристик, полностью их можно посмотреть на официальной странице генератора (последняя строка таблицы).

Упаковка, внешний вид и конструкция DDS генератора сигналов FY6800

Генератор представляет собой относительно небольшую и лёгкую конструкцию в виде почти прямоугольного плоского блока с откидной ножкой-подставкой:

Вглядимся в лицо нашего пациента:

И, оно же, но во включенном состоянии прибора:

На лицевой панели расположены органы управления, выходы двух каналов, а также вход частотомера.

Кнопки на лицевой панели — прорезиненные, мягкие и очень приятные на ощупь. Две кнопки с номерами каналов имеют подсветку, её свечение означает, что данный канал активен.

Подсвечивается также и кнопка включения/выключения слева внизу на передней панели.

Кнопки только позволяют выбрать режим и настраиваемый параметр, а установка всех параметров на конкретные значения производится с помощью единственной большой круглой ручки энкодера.

Если настраиваемый параметр представляет собой многоразрядное число, то настраиваемый разряд выбирается с помощью двух кнопок со стрелочками под ручкой энкодера.

Кнопки без подписи рядом с экраном работают по подсказкам, отображаемым на экране.

Важное замечание: на индикаторе прибора амплитудой ( AMPL ) именуется на самом деле не амплитуда, а размах сигнала, т.е. значение «пик-пик». Меня прикололо на одном видео в YouTube , как один обзорщик обнаружил, что генератор даёт амплитуду с ошибкой в два раза и бросился подкручивать подстроечники. Не надо этого делать!

Посмотрим на прибор сбоку:

Сбоку — обычный приборный вид с элементами декора.

Вид снизу; ножка-подставка сложена:

Здесь расположены круглые BNC -разъёмы входа/выхода синхронизации и входы управления модуляцией. Вход VCO IN позволяет управлять модуляцией сигнала генератора от внешнего напряжения, максимальная частота которого не должна превышать 500 Гц.

Прямоугольный 8-контактный разъём — это логические выходы TTL (прямой и инверсный для двух каналов).

Далее — разъём USB для управления генератором от компьютера.

Самый правый — стандартный разъём для подключения питания и его выключатель.

Здесь надо отметить, что кнопка включения/выключения прибора есть также и на передней панели, но действие выключателей, расположенных спереди и сзади, — разное.

При выключении кнопкой на передней панели прибор запоминает последний установленный режим, и при последующем включении его восстанавливает. Такое выключение — скорее переход в режим сна, чем собственно выключение.

При выключении тумблером сзади прибор ничего не запоминает; и при последующем включении автоматически устанавливает режим с синусом 5 В 10 кГц.

В комплект прибора входят 4 кабеля: сетевой (питание), кабель BNC-BNC , и два кабеля BNC- «крокодилы».

Разборка DDS генератора сигналов FY6800 и его внутреннее устройство

Разборка делается не сложно, но аккуратности всё равно требует.

Верхняя крышка держится на 4-х шурупах (вкручены снизу) и дополнительно защелками соединена с передней панелью. Соответственно, шурупы надо выкрутить, а защёлки — аккуратно отщёлкнуть, используя ногти, гитарные медиаторы или спец. инструмент для разборки телефонов.

И вот нам открывается богатый, хотя и несколько странный, внутренний мир генератора:

Конфигурация расположения плат удивительна тем, что плата блока питания «втыкается» в материнскую плату прибора сбоку, для этого в «материнке» даже сделана выемка.

Интересно также, что каждая из плат держится не на 4-х, а только на 3-х саморезах. Материнку могли бы прикрутить и 4-ым саморезом в левом нижнем углу, но не прикрутили.

Рассмотрим отдельно материнку и блок питания; начнём с материнки.

Главный элемент платы — ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) Altera Cyclone IV EP4CE6. Это — не процессор, хотя и похоже на процессор. Здесь программируется не выполнение кода, а аппаратная структура, состоящая из массива логических элементов.

Именно эта микросхема и осуществляет синтез сигнала на цифровом уровне.

Сверху и снизу от Altera — две микросхемы без маркировки. Вероятно, это — цифро-аналоговые преобразователи, по 1 шт. на канал.

С них сигналы поступают на микросхемы AD8009 — сверхбыстроходные усилители. Рядом с ними — по два подстроечных резистора. Они настроены на заводе и без крайней необходимости лучше их не трогать.

Под радиатором расположены две микросхемы — вероятно, выходные каскады генератора.

Радиатор — недостаточно большой, чтобы накрыть обе микросхемы сразу. Может быть, он бы их накрыл, если бы его повернуть ещё больше, под углом 45 градусов. Но, руководствуясь принципом «если работает — не трогай», я оставил, как есть. Тем более, что явного перегрева не наблюдалось: радиатор был тёплый, но не горячий.

Оранжевые прямоугольники — это реле, на которых проставлена маркировка «NEC Japan». Похоже на настоящую Японию! Они осуществляют переключение выходных делителей с целью охвата всего заявленного динамического диапазона сигналов.

Теперь — изучим плату импульсного блока питания:

Блок питания выдаёт три напряжения: +5 В, +12 В, -12 В.

Стабилизируются напряжения не каждое по отдельности, а все вместе. Это — не лучший вариант, но для фиксированной нагрузки допустимый.

В сетевой части блока нет отдельного мощного транзистора. Он встроен в 8-ногую микросхему, которая одновременно служит генератором и контроллером ШИМ.

Мощность блока питания — небольшая, производитель генератора указывает потребляемую мощность всего прибора в целом в 10 Ватт. Дёшево и сердито (в хорошем смысле)!

Конечно, было бы лучше с точки зрения помехозащищённости, если бы производитель применил аналоговый блок питания с линейными стабилизаторами, но это плохо отразилось бы и на массе, и на цене прибора.

В генераторе сигналов есть и ещё одна плата, прикреплённая к передней панели:

На плате закреплены органы управления, дисплей и небольшая по количеству элементов электронная обвязка.

Слева можно видеть «пищалку», а справа — процессор и его персональный линейный стабилизатор питания. Посмотрим эту часть в укрупнённом виде:

Процессор именуется STM32F103C8T6. Это — простой процессор класса «всё в одном»; он — и собственно процессор, и память (ОЗУ и ПЗУ), и видеопроцессор (в некотором роде). В приборе он принимает команды от органов управления, а также формирует изображение для дисплея.

Испытания DDS генератора сигналов FY6800

Сначала — несколько слов о том, почему результаты испытаний некоторых параметров не будут гарантировать точность.

Дело в том, что для гарантированно точного результата средство измерения должно иметь точность, значительно превосходящую точность проверяемого прибора. В большинстве случаев метрологами рекомендуется точность средства (или метода) измерения в 3 раза выше, чем точность проверяемого прибора.

В данном же случае использовался осциллограф примерно одного класса точности с проверяемым генератором. Так что будем результаты считать условно-верными. 🙂

Теперь — осциллограммы с несколькими из имеющихся в приборе стандартных сигналов. В большинстве случаев размах сигнала был установлен 5 В (об исключениях будет упомянуто).

Сначала — сигналы с простой и понятной формой:

Хотя на генераторе установлено напряжение ровно 5 В, осциллограф на всех осциллограммах показывает напряжение «пик-пик» чуть выше 5 В, до 5.36 В. Причин этому несколько: влияние шумов, погрешность генератора, погрешность осциллографа. В общем можно считать точность генератора хорошей.

Теперь — несколько сигналов, требующих комментариев.

Выпрямленный синус. Особенность сигнала в том, что половинки синуса повторяются с частотой вдвое выше, чем установлено на индикаторе генератора:

Мульти-синус (смесь нескольких синусоидальных сигналов с кратными частотами):

Теперь обсудим такое отрицательное явление, как джиттер, ибо оно в этом генераторе присутствует.

Несколько слов о том, что такое джиттер.

Джиттер — это «дрожание» (неустойчивость) фазы сигнала, которое может быть вызвано разными причинами.

В DDS генераторах сигнала джиттер — характерное свойство системы на частотах, отличающихся от частоты задающего генератора не в целое число раз.

Если объяснять «на пальцах», то возникает джиттер таким путём.

На частотах, меньших частоты опорного генератора в целое число раз, в периоде сигнала укладывается целое число отсчетов, и передвигать фазу от периода к периоду не требуется.

Но если частота сигнала меньше опорной частоты не в целое число раз, то возникает проблема, как сформировать сигнал нужной частоты при том, что в периоде сигнала может быть только целое число отсчетов.

Проблема решается путем изменения числа отсчетов сигнала в разных его периодах. Один период получается чуть короче, другой — чуть длиннее; а при усреднении группы периодов средняя частота получается именно такой, как её задал пользователь. Соответственно, из-за разной длины периодов получается изменение фазы от периода к периоду. На осциллографе это явление видно, как «раздвоение» фронтов сигнала.

Для моделирования джиттера на генераторе в качестве сигнала был установлен меандр с частотой 11 МГц, что отличается от опорной частоты генератора (250 МГц) в 22.72 раза.

Затем были записаны две осциллограммы и наложены друг на друга в графическом редакторе. Вот результат (одна из осциллограмм сделана более бледной):

Сдвиг фронтов между осциллограммами составляет ровно один период опорной частоты — 4 ns .

Мораль: для работы с теми устройствами, которые чувствительны к джиттеру, генератор не подойдёт — придётся искать более дорогую модель, где разными путями это явление искоренено.

Кроме банального воспроизведения тех сигналов, которые записаны в памяти прибора, он позволяет выполнять с ними всякие «вольности»: устанавливать различные виды модуляции, запускать их в режиме свип-генератора (генератора качающейся частоты) и управлять частотой и другими параметрами с помощью внешнего напряжения.

Меню настройки модуляции (фото):

Меню настройки свип-генерации:

Здесь мне не понравилось, что есть логарифмический режим ( Logarithm) , но нет экспоненциального, который мог бы быть очень полезен для снятия АЧХ широкополосных устройств.

Меню управления генерацией от внешнего напряжения:

Здесь претензия та же самая: есть логарифмический режим ( Logarithm) , но нет экспоненциального.

Теперь разберёмся с шумами и помехами на выходе генератора.

Для оценки уровня помех на выходе был установлен очень малый и очень медленный сигнал: 1 мВ, 1 мкГц.

На осциллографе был установлен масштаб по вертикали 1 мВ/деление, по горизонтали — 200 мкс/деление.

Осциллограмма напряжения (шумы + помехи) на выходе генератора:

Теперь, для сравнения, осциллограмма собственных шумов осциллографа в том же масштабе (вход закорочен на землю через резистор 50 Ом):

Как можно видеть из сравнения двух осциллограмм, хотя и небольшие, но шумы на выходе генератора присутствуют. Точнее, здесь присутствует сумма шумов вместе с влиянием помех по цепям питания и, дополнительно, с наводками от импульсного источника питания на элементы схемы «по воздуху».

Возможно, для каких-то особо чувствительных измерений такой уровень шумов и помех будет великоват; но для подавляющего числа работ по настройке и проверке аппаратуры такой их уровень препятствием не будет.

Программное обеспечение DDS генератора сигналов FY6800

Сначала — несколько слов о прошивке.

В протестированном экземпляре генератора установлена прошивка версии 1.7.1. Прошивка хорошая, явных «глюков» по ходу тестирования обнаружено не было.

Но в системе не было обнаружено возможности обновления прошивки, а также не было обнаружено каких-либо прошивок (новых или старых) и на сайте производителя.

Из этого следует, что прибор, который приобретёт пользователь, пожизненно останется с той версией прошивки, с которой он придёт. Это — не трагедия, но определённый минус производителю.

Теперь — к следующему аспекту программного обеспечения.

Генератор сигналов FY6800 может по USB соединяться с компьютером и работать совместно с ним.

Для этого сначала надо установить на компьютер драйвер контроллера USB CH340G , расположенного в генераторе; а затем установить ПО генератора под названием «DDS Signal PC Software V6.1».

Всё это в одном архиве вместе с руководством пользователя на английском языке можно скачать с официального сайте производителя.

Правда, китайскоязычный драйвер из этого комплекта мне не понравился; и я скачал другой вариант драйвера (можно скачать здесь).

Кроме того, я не смог подобрать нормально работающего драйвера для Windows 7 32 bit (происходило зависание на разных этапах), поэтому пришлось всё установить на систему с Windows 10 64 bit (всё работало стабильно).

Программа «DDS Signal PC Software V6.1» позволяет полноценно управлять генератором с компьютера, а также загружать в генератор собственные варианты сигналов.

Так выглядит экран управления генератором:

Здесь всё ясно и проблем нет. А вот вкладки программы для создания и загрузки сигнала — оригинальны и не просты.

Посмотрим на вкладку » Waveform Window » для «рисования» сигнала с примером сигнала, нарисованного мышкой:

Конечно, такое рисование иначе как «порнографией» и не назовёшь.

Гораздо правильнее — загрузить заранее рассчитанные значения сигнала, пользуясь вкладкой «Text Window» :

Здесь формально есть возможность загрузить значения сигнала прямо из файла, но заставить работать эту возможность не удалось.

Более того, я попробовал выгрузить один из предустановленных сигналов (синус) в файл, а потом его же из файла загрузить обратно. И это — не получилось; программа выругалась » Invalid property value » на свой же собственный файл!

Реально для этой цели работает копирование значений методом «скопипастить» в окно » Text Window «.

Сначала надо рассчитать значения 8192 отсчетов сигнала, например, в Excel или какой либо математической программе. Значения лучше рассчитывать в нормализованном виде, где максимум равен +0.5, а минимум — минус 0.5.

Затем выгрузить эти значения в текстовом формате, например, CSV , или аналогичном формате. При выгрузке обязательно разделитель целой и дробной частей должен быть точкой.

Затем открыть файл в простом текстовом редакторе (типа «Блокнот» и т.п.), пометить все 8192 значения и скопировать на вкладку » Text Window «.

Если на графике (в правом нижнем углу вкладки) всё будет в порядке, то далее в строке » Loading Area » надо выбрать, каким номером пользовательского сигнала будет Ваша функция, и нажать » Send Data «.

Таким способом я создал сигнал «Двухполярные прямоугольные импульсы»; его осциллограмма:

В итоге, хотя и не без проблем, но создание собственных сигналов работает.

Окончательный диагноз DDS генератора сигналов FY6800

Начну с главного: этот генератор сигналов полностью подтвердил параметры, указанные производителем (по крайней мере в той степени, насколько это возможно подтвердить с помощью аппаратуры, лишь немного превосходящей по классу тестируемый генератор).

В число его плюсов в первую очередь надо отнести крайне высокую функциональность для его цены. Её будет достаточно не только для радиолюбительских применений, но для профессионального использования. Другое дело, что приборы для профессиональной деятельности должны иметь аттестат Росстандарта, проходить периодическую поверку и т.п. Но это уже — процедурный вопрос. 🙂

В качестве дополнительных плюсов — наличие удобного управления с графическим экраном.

И, до кучи — малые вес и габариты, низкая потребляемая мощность.

Недостатки, конечно, тоже водятся.

Пожалуй, главный недостаток, — невозможность обновления прошивки. Прибор останется навсегда с Вами таким, такой он есть.

Другой из недостатков — наличие джиттера («дрожания» фазы сигнала). Этот недостаток обусловлен принципом работы прибора и неустраним вообще никак. Приборы без этого недостатка имеют другой принцип функционирования и стоят на порядок, а то и на два, дороже.

Ещё раз о цене и где купить.

Цена на момент обзора — $89 ( 6750 российских рублей ) , приобрести можно в официальном магазине компании FeelElec на Алиэкспресс (цена может меняться).

Если у какого либо другого продавца этот же прибор будет дешевле, то тоже можно брать — товар одинаковый. Иногда сторонние продавцы предоставляют большие скидки, устраивают акции и и т.п.

Обзоры других контрольно-измерительные приборов, протестированных на данном сайте — здесь.

Весь раздел «Сделай сам! ( DIY) » — здесь.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам

Источник