Module générateur de fréquence C
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Conrad sur INTERNET www.conrad.fr N O T I C E Version 09/04 Liste des composants Module générateur de fréquence C-60 Code : 190836 Cette notice fait partie du produit. Elle contient des informations importantes concernant son utilisation. Tenez-en compte, même si vous transmettez le produit à un tiers. Conservez cette notice pour tout report ultérieur ! Note de l’éditeur Cette notice est une publication de la société Conrad, 59800 Lille/France. Tous droits réservés, y compris la traduction. Toute reproduction, quel que soit le type (p.ex. photocopies, microfilms ou saisie dans des traitements de texte électronique) est soumise à une autorisation préalable écrite de l’éditeur. Reproduction, même partielle, interdite. Cette notice est conforme à l’état du produit au moment de l’impression. Données techniques et conditionnement soumis à modifications sans avis préalable. © Copyright 2001 par Conrad. Imprimé en CEE. XXX/09-04/SC Le générateur DDS20 génère des signaux rectangulaires et sinusoïdales dans la gamme de fréquence de 0,1 Hz à 20 MHz. Le processus DSS permet d’obtenir un signal d’excellente qualité (grand écart entre les fréquences intermédiaires), mais aussi de petits niveaux de réglage de fréquence. Ce processus DSS a une application universelle, par exemple dans le montage d’un générateur de signaux rectangulaires et sinusoïdaux ou d’une base de temps à haute résolution pour un récepteur à courtes ondes. Généralités Le processus DDS (Direct Digital Synthesis) génère des signaux de façon numérique par une transformation directe analogique – numérique et possède de nombreux avantages importants par rapport aux autres procédés : - haute précision des fréquences (précision du rythme/tempo du système) - de très petites étapes de réglages de la fréquence dans une gamme de fréquence - une bonne stabilité du temps et de la température - Une seule gamme de fréquence, donc aucun(e) changement/commutation de gamme. - Réglage rapide - Pas de dépassement de fréquences lors de changement/modification de phases Les signaux sinus sont décrits par la formule mathématique a(t) = A • sin (w • t). Il en résulte une courbe périodique qui se forme de façon numérique par l’émission de données numériques correspondantes (les valeurs d’échantillonnage d’une oscillation sinusoïdale) sur un convertisseur analogique numérique. La phase d’une oscillation sinusoïdale (w • t) part de 0° à 360° (en équerre) ou de 0 à 2 π (en courbe). Elle est ascendante de 0 à 2 π et descend jusqu’à 0. Schéma 1 : Oscillation sinusoïdale avec phase appropriée Le schéma 1 représente une oscillation sinusoïdale et la phase adéquate. Pour reproduire un signal sinus par DDS, cette phase est générée de façon numérique par un accumulateur de phases. La valeur numérique de la phase actuelle figure dans un tableau et est retransmis sur un convertisseur numérique/analogique qui génère ensuite la tension correspondante. La puce ‘’AD9835’’ incorporée au composant DDS comprend le système DDS complet qui est expliqué plus en détail par le schéma de connexions simplifié (schéma 2). 2 15 c) Schéma d’implantation, côté platine 2 Schéma 2 (p 7) : Schéma de connexion de la puce AD9835 Platine avec composants et platine sans composants Le synthétiseur numérique direct comprend essentiellement de 3 composants principaux : 1. Accumulateurs de phases 2. Convertisseur de sinus/de phases 3. Convertisseur analogique/numérique Comme nous l’avons expliqué, la phase d’une oscillation sinusoïdale part de 0 à 2 π. L’accumulateur de phases (1) est une large mémoire de 32 Bits (résolution : 232 = 4.294.967.296) qui contient sous la forme numérique la phase actuelle de l’oscillation sinusoïdale crée. Si chaque chiffre/position de la mémoire 32 Bit est égale à 0, ceci correspond à 0 rad. Si, à cette position ,il y a un 1, la phase a atteint 2 π rad, tandis que tout cycle de la fréquence ft est ajouté au contenu de l’accumulateur de phases de la phase valeur Delta. La valeur ‘’phase Delta’’ représente la variation d’une oscillation sinusoïdale par cycle et la retransmet par un microcontrôleur à la puce. Le signal de sortie de l’accumulateur de phases est ainsi représenté par une onde ascendante numérique dont la fréquence répétée est égale au signal sinus crée. Le schéma 3 à la page suivante montre le circuit intérieur simplifié de l’accumulateur de phases et de l’onde ascendante numérique. 14 3 Conformément au schéma 3, la fréquence fa se calcule comme suit : On obtient le nombre de variations par période de signaux de sortie par la formule suivante : Ainsi, la fréquence du signal de sortie peut être calculée en suivant la formule suivante : Le synthétiseur possède ainsi 2 entrées numériques, affectées pour la fréquence, à savoir la fréquence d’impulsions et le saut de phase ‘’Phase Delta’’. Ainsi, la précision et la stabilité de la fréquence d’impulsions déterminent la précision et la stabilité du signal sinus. La résolution de fréquence, c’est-à-dire le plus petit niveau de réglage du signal sinus, est établie par la largeur du mot N de la ‘’phase Delta’’. Vous obtenez la résolution de fréquence ∆f par la formule suivante : Sur un générateur DDS se trouve la plus petite variation de fréquence (interne) à une fréquence d’impulsions de 50 MHz et à une largeur de mot N = 32 à 11,64 mHz. Le convertisseur de sinus de phase (2) se compose essentiellement d’une mémoire (tableau) dont le domaine d’adresse répartit les valeurs de balayage numériques d’une oscillation sinusoïdale. Vous pouvez trier/lire cette mémoire périodiquement par les Bits puissants ‘’m’’ de l’accumulateur de phases en tant qu’adresses. Une limitation sur Bit ‘’m’’ est nécessaire pour réduire le déploiement d’énergie de la mémoire. Ainsi, vous obtenez périodiquement les valeurs d’une oscillation sinusoïdale. 4 13 Schéma des connexions Schéma 4 : principe de fonctionnement du convertisseur du sinus de phase b) Schéma d’implantation, côté platine 1 Le schéma 4 montre le principe de fonctionnement de cette partie du circuit. Les valeurs/les données d’échantillonnage sont soit enregistrées (ROM) ou calculées à l’aide d’un algorithme et emmagasinées dans la mémoire (RAM). Ce dernier procédé offre la possibilité de production de différentes courbes. Les valeurs d’échantillonnage/de balayage ainsi obtenues sont transmises à un convertisseur numérique/analogique (3) qui produit la tension de sortie analogique. Dans le cas idéal, la fréquence d’utilisation fa serait contenue exclusivement dans le signal de sortie. Mais la tension de sortie est affligée par quelques signaux parasites conditionnés par la production numérique qui sont totalement éliminés par le branchement d’un filtre passe-bas. Les signaux parasitaires apparaissent à partir des raisons suivantes : Les valeurs d’échantillonnage/de balayage extraites de la mémoire du signal sinus sont transformées par la fréquence d’impulsions ft du convertisseur DA en tension analogique Par conséquent, le (spectre) domaine de sortie idéal se répète selon la transformation Fourier lors d’une multiplicité du chiffre de la fréquence d’impulsions. Une autre pollution du spectre de la sortie serait dûe à une quantification du signal. La gamme dynamique de la tension de sortie est répartie par la résolution du convertisseur DA de 10 Bit en 1024 niveaux. Cet effet s’exprime en bruit de quantification du point de vue de la qualité du signal et vient s’ajouter réparti uniformément au spectre. De plus, les non-linéarités produisent dans la fonction de transmission du convertisseur DA une source de parasites qui est à peine calculée à l’avance et qui dépend du type de convertisseur DA. Ces non-linéarités produisent dans les sorties l’harmonisation de la fréquence principale. Toutes ces réflexions relatives au domaine de sortie sont représentées approximativement dans le schéma 5. 12 5 Schéma 5 : spectre/représentation du signal de sortie Le générateur DDS-20 Grâce au composant DDS " AD9835 ", on a pu créer avec peu d’éléments un générateur DDS de qualité pour l’émission de signaux DDS sinus et rectangulaires. Il se caractérise par les données techniques citées ci-dessus. Selon le théorème de Nyquist, la fréquence de sortie maximale serait limitée à la moitié de la fréquence de cycles (25 Mhz). Il se caractérise par les données techniques citées ci-dessus. Selon le théorème de Nyquist, la fréquence de sortie maximale serait limitée à la moitié de la fréquence de cycles (25 Mhz). Néanmoins, en pratique, on utilise 40% de la fréquence de cycles (2 MHz). Si le générateur DDS doit être utilisé exclusivement comme base de temps, c’est-à-dire qu’on utilise exclusivement le signal rectangulaire, et pas le signal sinus, il est possible d’éliminer le courant d’alimentation négatif. Utilisation/manipulation Tous les condensateurs électrolytiques – Attention à la polarité ! TA1 – TA3 (avec capuchons) et DR1 Cosses ST1 – ST8 Montage de l’écran LCD Enlevez le film de protection de l’écran. Posez l’écran sur la petite vitre et insérez le tout dans le cadre, par le côté. Enfin, insérez les deux élastiques conducteurs dans les emplacements prévus. Placez l’écran préalablement monté sur la platine et fixez-le à l’aide des 6 vis PVC. La platine est à présent prête pour l’émission de signaux rectangulaires. Si vous Souhaitez que votre générateur émette également des signaux sinus, il faut également monter le transformateur de sortie signal sinus AD811 et le potentiomètre pour le réglage de l’amplitude. Le circuit intégré IC7 doit être placé et soudé en respectant le marquage ( la broche 1 est marquée d’un point). Les broches du potentiomètre doivent d’abord être recourbées à 90° en direction de son axe. Puis, placez-le sur la platine, en le fixant à l’aide du boulon. Ensuite, soudez les broches. Le générateur DDS nécessite une tension d’alimentation dans la gamme de ± 7V jusqu’à ± 12V (100 mA). Avant de brancher le kit, vérifiez soigneusement toutes les soudures, écartez les éventuels pontages. Après avoir été branché, le processeur effectue un test de segment, c’est-à-dire que pendant une durée de 3 secondes, tous les segments sont actifs. Puis, le mode d’affichage est normal. Attention ! Après la première mise en marche, le générateur doit être programmé pour les valeurs " par défaut ", pour qu’il puisse émettre des signaux. Pour cela, enfoncez la touche " prog " pendant 2 secondes minimum, et validez les valeurs " par défaut " affichées l’une après l’autre. Si l’implantation a été réalisée correctement, les signaux sinus ainsi que les signaux Rectangulaires sont maintenant disponibles. Le DC-Offset du signal sinus doit être réglé sur 0V à l’aide de R13. L’utilisation du générateur DDS 20 est simple et se fait au moyen de 3 touches, un bouton d’incrémentation ainsi qu’un potentiomètre. Après la première mise en marche, les valeurs suivantes sont programmées et actives : Fréquence : 1 KHz Fonction wobulation : off Fréquence minimale : 0.1 Hz Fréquence maximale : 20 MHz Fréquence de cycle système : 50.000000 MHz Réglage de la fréquence Le réglage de la fréquence s’effectue au moyen du bouton d’incrémentation et les deux touches et situées sous l’écran. L’endroit qui peut être modifié clignote et peut être appelé à l’aide des touches et . Cet endroit peut être diminué ou augmenté, en tournant le bouton d’incrémentation. En cas de dépassement, le générateur effectue un transfert sur l’endroit le plus grand / le plus petit le plus proche. 6 11 Pour la régénération du signal pour la sortie digitale (compatible TTL), le signal sinusoïdal est d’abord de haute impédance et de faible capacité par un transfo FET derrière le filtre passe-bas. Celui-ci est monté avec T1 (J310) et périphérie. Le signal présent au branchement de la source d’alimentation arrive par les deux condensateurs C35 et C40 à l’étage d’amplification qui fonctionne dans le montage en émetteur commun. Dans le collecteur se trouve le signal amplifié qui arrive à l’entrée du Trigger Schmitt CI 6 A (74HC0132). Les composants suivants CI 6 B, C et D sont branchés en parallèle et constituent ensemble avec la résistance R11 une résistance de sortie de 50 Ohms. Le circuit demande une alimentation de +5 V et de –5 V (chacun 100 m A) qui est stabilisée par les deux régulateurs de tension fixe CI 1 (7805) et CI 2 (7905). S’il n’y a uniquement le signal carré qui est exploité, le circuit n’a besoin que d’une alimentation de +5 V. Montage de la platine La platine est à garnir en majorité avec des composants CMS, ainsi que quelques composants à broches. Compte tenu de la taille miniaturisée des composants utilisés, le montage de la platine doit être réalisé le plus soigneusement possible, par une personne experte en électronique. Pour souder des composants CMS, il est vivement conseillé d’utiliser un fer à souder à pointe très fine. Il est impératif d’accorder la plus grande importance à la propreté et à la précision. Le kit DDS est particulièrement compliqué à souder, le risque de pontage est très élevé. Vérifiez tous vos points de soudure à l’aide d’une loupe. Implantation de composants CMS Tout d’abord, placez les composants CMS sur la platine, à l’aide du schéma d’implantation, de l’image n° et de la liste des composants. Avant de placer un composant sur la platine, faites fondre une petite quantité d’étain sur l’une des broches de ce composant. Ensuite, posez-le avec précautions sur la platine, à l’aide d’une pince à épiler, et maintenez-le. Pour l’instant, soudez uniquement la broche préalablement enduite d’étain. Si le composant est correctement placé, les broches restantes peuvent être soudées à leur tour. Les composant doivent être soudés selon l’ordre suivant : Résistances CMS (sauf R14 – R16) Condensateurs CMS (sauf C1 et C3) Transistors CMS Circuits intégrés IC6 et IC4 – attention à la polarité (Le point sur le composant marque la broche 1) ! Circuits intégrés IC5 et IC3 – attention à la polarité ! L1 – L5 C1 et C3 – attention à la polarité (le pôle " + " se trouve sur le côté marqué d’un trait) ! Montage des éléments restants Après l’implantation des composants CMS, placez les autres composants, en respectant l’ordre suivant : C22, C23, C25, C26 R10, R11, Q1 (par le dessous), Q2 IC1 et IC2 (chaque circuit intégré doit être fixé avec la vis M3, la rondelle à dents et le boulon, avant d’être soudé) 10 Réglage de l’amplitude L’amplitude du signal sinus est réglable dans la gamme de 0 V jusqu’à 4 Vss maximum, avec le potentiomètre R6. Générateur wobulation Le générateur wobulation intégré permet de balayer la gamme de fréquences complète de 0.1 Hz jusqu’à 20 MHz sans changer le réglage. En même temps, le paramètres fréquence de départ, fréquence finale et fréquence Wobbel sont réglables. Pour activer la fonction wobulation, procédez comme suit : Appuyez brièvement la touche " prog ". L’écran affiche " F1 ". Ceci est la fréquence de départ (à régler selon les instructions du chapitre " réglage de la fréquence "). Appuyez encore une fois brièvement sur la touche " prog ". L’écran affiche " F2 ". Réglez maintenant la fréquence d’arrêt. Appuyez une 3ème fois sur la touche " prog ". L’écran affiche " SP ". Réglez la Fréquence wobulation. Pour démarrer le processus wobulation, appuyez encore sur la touche " prog ". L’écran affiche " run " ainsi que la fréquence actuelle. Pour quitter la fréquence wobulation, appuyez sur la touche " prog ". L’appareil retourne en mode de fonctionnement normal. Mémoriser et appeler des fréquences Le générateur DDS dispose de 10 mémoires pour sauvegarder des fréquences. Lorsqu’il fonctionne comme base de temps pour récepteur, on peut de cette manière réaliser aisément des touches de recherche des stations. Mémoriser une fréquence Procédez comme suit : - Réglez la fréquence à mémoriser - Enfoncez la touche 2 secondes minimum. L’écran affiche " S1 " - Sélectionnez le numéro de mémoire (S1 – S10) à l’aide du bouton d’incrémentation. - Validez à l’aide de la touche " prog ". Appeler une fréquence Procédez comme suit : - Enfoncez la touche pendant 2 secondes minimum. L’écran affiche " S1 ". - Choisissez l’emplacement mémoire (S1 – S10). - Validez à l’aide de la touche " prog ". La fréquence choisie s’affiche. Autres fonctions Comme nous l’avons déjà spécifié, le générateur DDS peut également servir de base de temps pour système PLL ou récepteurs, tout particulièrement pour des projets de montage personnels. Par exemple : Un récepteur double Superhet doit capter des ondes courtes dans la gamme de fréquences de 0 à 30 MHz, les fréquences intermédiaires sont de 45 MHz et 455 MHz (valeurs courantes). Pour garantir la gamme de fréquence de réception, le premier oscillateur local (VCO = voltage controled oscillator = oscillateur-traducteur de tension) doit couvrir une gamme de fréquence de 45 MHz à 75 MHz (45 MHz – 45 MHz = 0 MHz, 75 MHz – 45 MHz = 30 MHz). 7 Le rapport du diviseur pour le signal VCO est de 8, en ce que la base de temps (le générateur DDS) est sensé fonctionner dans une gamme de fréquence de 5,625 MHz à 9,375 MHz. Ainsi il en résulte pour un récepteur de ce type le plus petit niveau de fréquence de 0,8 Hz (0,1 Hz • résolution du générateur DDS_ facteur PLL) Pour que la fréquence de réception apparaisse sur l’afficheur du générateur DDS, il faut programmer les paramètres suivants : Fréquence minimale : Fréquence maximale : Facteur PLL : Offset ZF : 5.625 MHz 9.375 MHz 8 -45 MHz résistances externes Pull-Up et est branché aux broches 25 et 32 du processeur. En fonction du sens de rotation de l’axe, une des broches de port est plutôt dirigée vers la masse que l’autre en ce qu’elle détecte le sens de rotation. Les trois touches/boutons TA1 à TA3 sont directement branchés aux broches 48 à 50 du processeur et mettent les broches à la masse lorsqu’ils sont activés. Toutes les données du système (fréquence des impulsions, enregistrement/mise en mémoire de la fréquence, etc..) sont enregistrées dans le CI 4 EEPROM (24C04). Dans une large mesure, le processeur active/commande directement l’afficheur LCD1 et décrit la puce DSS AD9835 par les connexions ‘’SCLK’’, ‘’SDATA’’ et ‘’FSYNC’’ (broche 36 à 38) Dans une large mesure, on peut relever la précision de fréquence du signal émis en effectuant un réglage de la fréquence par logiciel. Chez le processus DSS, la précision du signal émis correspond à la précision de l’oscillateur piézoélectrique intégré. En définissant cette valeur par logiciel, vous pouvez procéder à un réglage précis. L’oscillateur piézoélectrique 50 MHz du générateur DSS est désigné par 50 ppm. Ceci signifie qu’à une fréquence de sortie de 10 MHz, il existe une divergence/un écart de 500 Hz. Pour augmenter la précision de la fréquence du signal, procédez comme suit : -Réglage d’une fréquence fsoll, par exemple 10 MHz -Mesure de la fréquence de sortie Fist par un compteur de fréquence adapté, par exemple 9,999950 MHz. -Calcul du facteur de déviation a = fist/fsoll = 0,999995 -Multiplication de la fréquence des impulsions fc par a :50 MHz • 0,999995 = 49,99975 MHz -Le résultat (49,99975 MHz) est à programmer comme une fréquence d’impulsions. Programmation des autres fonctions Pour programmer les paramètres précédemment cités, procédez comme suit : -Appuyez sur la touche " prog " pendant 2 secondes minimum. L’écran affiche " OSC " et " 50.000000 MHz ". La fréquence de temps calculée doit être programmée (par exemple : 49.99975 MHz). -Appuyez encore une fois sur la touche " prog ", l’écran affiche " Fu ". Entrez la fréquence minimale (par exemple :5.625 MHz). -Appuyez une 3ème fois sur la touche " prog ", l’écran affiche " Fo ". Entrez la fréquence maximale (par exemple 9.375 MHz). -Appuyez une 4ème fois sur la touche " prog ", l’écran affiche " FAC ". Entrez le facteur PLL (par exemple : 8). -Appuyez une 5ème fois sur la touche " prog ", l’écran affiche " OFF " et " Frequency neg. Description du circuit Vous trouverez le schéma de connexion à la page 14. Le processeur CI 3 (KS57C2308) commande toutes les fonctions d’entrée et de sortie du générateur DDS. L’oscillateur réalisé par le quartz Q1 et les capacités C20 et C21 indiquent l’impulsion du processeur. Le CI 5 Chip-DDS de type AD9835 contient le système DDS complet. La programmation du mot de fréquence ‘’Delta-Phase’’ long de 32 Bit se concrétise par 3 lignes de données ‘’SCLK’’, ‘’SDATA’’, et ‘’FSYNC’’ à partir du processeur. L’oscillateur piézoélectrique Q2 de 50 MHz déclenche/donne l’impulsion du système. La puce DDS alimente à la sortie (broche 14, IOUT) un courant par la résistance R4 qui produit la tension de sortie. Conformément à la fiche technique, il faut dimensionner R4 de façon à ce qu’à un courant d’intensité de 4 m A env, la tension à la résistance R4 ne soit pas supérieure à 1,35 V, sinon il pourrait subsister des distorsions. Le courant lui-même peut être déterminé par l’intensité de la résistance R3. Etant donné que la puce DDS est uniquement alimentée par une tension positive, la tension de sortie à la résistance R4 n’est pas symétrique par rapport à la ligne 0, mais positive (gamme dynamique de 0 V à 1,35 V max). Le filtre passe-bas de 7éme classe servant à éliminer les particules de fréquence non voulues du signal de sortie est constitué par les composants C8, L4, C9, L3,C10, L2, C11, ainsi que par la capacité d’entrée du niveau FET qui est précisée par 10 pF. La fréquence limite est de 22 MHz, le schéma 7 représente le résultat d’une simulation d’une courbe fréquentielle. Le filtre est isolé par le potentiomètre pour le réglage de l’amplitude R6. En passant par le condensateur de liaison C3, le signal sinusoïdal part de la prise du potentiomètre pour arriver sur le transfo de sortie du signal sinusoïdal CI 7 (AD811) qui provoque, d’une part, une amplification par le facteur 3,6 et d’autre part, garantit ,en liaison avec la résistance R10, une résistance de sortie de 50 Ohms. La prise femelle AC est nécessaire étant donné que le signal de sortie DSS , comme on vient de l’expliquer, n’est pas symétrique par rapport à la ligne zéro, mais se trouve au dessus de la ligne zéro. La fréquence limite minimale du transformateur de sortie est à la base de C36 et de R29 de 0,34 Hz, la fréquence limite maximale est de 15 MHz env. Comme le signal sinusoïdal par la prise femelle AC est transmis au transformateur de sortie, il s’avère nécessaire de prédéfinir le point de fonctionnement dynamique DC du transformateur de sortie/terminal. Pour compenser dans une large mesure les tensions Offset et les courants d’entrée, une tension DC, qui est dirigée par R29 au transfo, est prédéfinie au moyen des diviseurs de tension R7, R13, R21. Ainsi, vous pouvez régler le point de fonctionnement DC du transfo précisément à 0 V. Le transmetteur incrémentiel ayant pour fonction de régler la fréquence DR1 est pourvu de 8 9
