Современная электроника №6/2023

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 6 / 2023 Генератор гармонических колебаний звукового диапазона на базе синтезатора частоты AD9837B, микроконтроллера EFM8SB10 и LCD Nokia-5110 с батарейным питанием В статье описан генератор синусоидальных сигналов на основе DDS AD9837B, МК EFM8SB10, ИУ AD8231, ОУ OPA333, стабилизаторов TPS78230, STLQ15M15R и дисплея Nokia-5110 с питанием от аккумулятора 18650-HG2 ёмкостью 3 А ⋅ ч , обеспечивающего непрерывную работу прибора до 200 часов без подзарядки . Диапазон частот генератора от 1 Гц до 100 кГц с амплитудой до 0,3 В и до 50 кГц с амплитудой до 1,4 В с дискретностью выбора частоты 1 Гц . Приведены принципиальные схемы , разводка платы и конструкция прибора , его программные средства , порядок работы с ним и результаты его работы . Алексей Кузьминов Введение При разработке и тестировании зву - ковой радиоаппаратуры необходимым атрибутом является генератор синусо - идальных колебаний звуковых частот , имеющий достаточно низкие иска - жения выходного сигнала . Подобные генераторы , выпускаемые промыш - ленностью , достаточно дороги и , кро - ме того , они , как правило , имеют боль - шие габариты и вес , так как оснащены встроенным источником питания , под - ключаемым к сетевому напряжению 220 В . В связи с этим многие разработ - чики конструируют свои собственные генераторы , которые , судя по публи - кациям в журналах или в Интерне - те , также имеют много недостатков , основным из которых является низ - кое качество выходного синусоидаль - ного сигнала , или , другими словами , этот сигнал имеет достаточно большие искажения . Конструкции подобных генераторов условно можно разделить на два типа . Первый основан на применении ОУ совместно с электронными компонен - тами , включаемыми в его обратную связь для получения синусоидально - го сигнала ( диоды , миниатюрные лам - пы накаливания и т . п .). Как правило , подобные конструкции имеют доста - точно большие искажения синусо - идального сигнала на низких ( еди - ницы и десятки Гц ) и повышенных ( десятки кГц ) частотах . Второй тип подобных устройств основан на использовании микросхем прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthes – DDS), одной из кото - рых является наиболее популярная микросхема DDS AD9833 и его мало - потребляющий аналог AD9837. Высо - кое качество выходного синусоидаль - ного сигнала и его достаточно малые искажения обеспечиваются следующи - ми причинами . У этих микросхем есть встроенный блок памяти (lookup table), где хранится 4096 значений , которые представляют собой 1/4 периода сину - соидальной волны ( т . е . от 0 до π /2). Бла - годаря симметрии выходных сигна - лов можно считать объём этого блока памяти равным 4×4096 (16 384) значе - ний . То есть когда AD9833 генерирует синусоидальный сигнал определённой частоты , то сначала проходит данную таблицу в прямом направлении , потом в обратном и т . д . Здесь , однако , следу - ет заметить , что встроенный 10- раз - рядный ЦАП существенно усекает эти значения до 10 бит ( т . е . до 1024 отсче - тов ). Таким образом , положительная и отрицательная полуволны синусо - иды имеют по 1024 значений , в свя - зи с чем по вертикали вся синусоида представляется уже 2048 значениями ( т . е . 11 бит ). Разрешение же по горизон - тали составляет от 10 до 14 бит и суще - ственно зависит от частоты выходного сигнала . В звуковом диапазоне и даже несколько выше ( до 100 кГц ) разреше - ние по горизонтали составляет от 11–12 до 14 бит ( на частотах в единицы Гц ). Таким образом , вся синусоида пред - ставляет собой поле приблизительно 11×12 бит , что и определяет высокую разрешающую способность и низкие искажения выходного сигнала подоб - ных DDS. Однако использование AD9833/AD9837 наталкивается на ряд проблем ( правда , к счастью , решаемых ), которые заключаются в следующем . Во - первых , выходной сигнал DDS изменяется в диапазоне от 0,37 мВ до 0,645 В ( типовое значение ), т . е . « сдви - нут » вверх относительно « земли » на постоянную составляющую , прибли - зительно равную чуть более 0,3 В , кото - рая несколько больше самой амплиту - ды синусоидального сигнала . А для настройки звуковой аппаратуры тре - буется синусоидальный сигнал , изме - няющийся относительно « земли » как в положительную , так и в отрицатель - ную сторону . В связи с этим в подавля - ющем большинстве случаев для полу - чения такого сигнала из сигнала DDS применяют разделительные ( проход - ные ) конденсаторы достаточно боль - шой ёмкости , иногда даже электро - литические , способные пропускать сигналы очень низких частот ( единицы Гц ), чтобы не препятствовать прохож - дению самых низкочастотных сигналов звукового диапазона ( как правило , это 20 Гц ). Однако , как известно , раздели - тельные конденсаторы ( особенно элек - тролитические ) сами по себе являются источником достаточно больших иска - жений сигнала , особенно на относи - тельно высоких частотах ( десятки кГц ). Давняя разработка автора [1] показала , что вместо разделительных конденса - торов с успехом можно использовать инструментальный усилитель ( ИУ ), сдвигающий уровень сигнала DDS в « отрицательную » область относитель - но « земли », что позволяет отказаться от разделительных конденсаторов , так как