Основные возможности микросхемы:

• Программируемая через цифровой интерфейс частота и фаза.
• Низкое энергопотребление: 12.65 мВт при напряжении питания 3V.
• Диапазон выходной частоты от 0 до 12.5 МГц.
• 28-битная разрешающая способность по частоте: 0.1 Гц при опорной частоте тактов 25 МГц.
• Форма выходного сигнала может быть синусоидальная, треугольная и прямоугольная.
• Диапазон напряжений питания от 2.3 до 5.5V.
• Не требуется внешних компонентов (почти).
• 3-проводный интерфейс SPI.
• Расширенный температурный диапазон -40°C .. +105°C.
• Возможность выключения (Power-down).
• 10-выводный корпус типа MSOP.
• Дизайн рассчитан на мобильные, автономные приложения.

Области применения:

• Генерация сигналов и тактовых частот, генераторы качающейся частоты.
• Системы измерения потока жидкости и газа.
• Приложения сенсоров: сближение, движение, дефектоскопия.
• Потеря линии / подстройка под параметры линии.
• Оборудование тестирования, медицина.
• Приложения временной доменной рефлектометрии (Time domain reflectometry, TDR).

[Общее описание]

Микросхема AD9833 это программируемый генератор сигналов с низким потреблением тока, который может генерировать сигнал синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы. Генерация сигнала определенной формы требуется для разных типов реализаций датчиков, актуаторов, приложений TDR. Выходная частота и фаза программируется под управлением внешнего микроконтроллера, что упрощает настройку генерации. Для запуска микросхемы в работу почти не требуется внешних компонентов (кроме внешнего генератора опорных тактов и блокирующих фильтрующих конденсаторов). Регистры частоты имеют разрядность 28 бит: при тактовой частоте 25 МГц может быть достигнута дискретность установки частоты 0.1 Гц; с тактовой частотой 1 МГц может быть достигнута дискретность 0.004 Гц.

Параметры записываются в AD9833 через 3-проводный последовательный интерфейс (SPI). Этот последовательный интерфейс может работать на частотах до 40 МГц, и он хорошо подходит для подключения к любому DSP и микроконтроллеру. Микросхема может работать от напряжения источника питания 2.3 .. 5.5V.

У AD9833 есть функция выключения (power-down), или режим сна, функция SLEEP. Эта функция позволяет отключить не используемые секции устройства, минимизируя тем самым потребление тока. Например, DAC (ЦАП) может быть выключен, когда генерируется тактовый выходной сигнал (прямоугольная форма сигнала на выходе).

Рис. 1. Функциональная блок-диаграмма AD9833.

[Цоколевка и функции выводов]

Рис. 5. Цоколевка выводов корпуса MSOP10.

Таблица 4. Функциональное описание выводов.

Графики типовых характеристик

Рис. 6. Типичное потребление тока (IDD) в зависимости от частоты MCLK для fOUT = MCLK/10	Рис. 9. Широкополосный SFDR в зависимости от частоты MCLK
Рис. 7. Типичный IDD в зависимости от fOUT для fMCLK = 25 МГц	Рис. 10. Широкополосный SFDR в зависимости от fOUT/fMCLK для различных частот MCLK
Рис. 8. Узкополосный SFDR в зависимости от частоты MCLK	Рис. 11. SNR в зависимости от частоты MCLK

Рис. 12. Время пробуждения (Wake-Up Time) в зависимости от температуры	Рис. 15. Зависимость выходной мощности от частоты, fMCLK = 10 МГц, fOUT = 1.43 МГц = fMCLK/7, слово частоты = 0x2492492
Рис. 13. VREF в зависимости от температуры	Рис. 16. Зависимость выходной мощности от частоты, fMCLK = 10 МГц, fOUT = 3.33 МГц = fMCLK/3, слово частоты = 0x5555555
Рис. 14. Зависимость выходной мощности от частоты, fMCLK = 10 МГц, fOUT = 2.4 кГц = fMCLK/3, слово частоты = 0x000FBA9	Рис. 17. Зависимость выходной мощности от частоты, fMCLK = 25 МГц, fOUT = 6 кГц, слово частоты = 0x000FBA9

Рис. 18. Зависимость выходной мощности от частоты, fMCLK = 25 МГц, fOUT = 60 кГц, слово частоты = 0x009D495	Рис. 21. Зависимость выходной мощности от частоты, fMCLK = 25 МГц, fOUT = 3.857 МГц = fMCLK/7, слово частоты = 0x2492492
Рис. 19. Зависимость выходной мощности от частоты, fMCLK = 25 МГц, fOUT = 600 кГц, слово частоты = 0x0624DD3	Рис. 22. Зависимость выходной мощности от частоты, fMCLK = 25 МГц, fOUT = 8.333 МГц = fMCLK/3, слово частоты = 0x5555555
Рис. 20. Зависимость выходной мощности от частоты, fMCLK = 25 МГц, fOUT = 2.4 МГц, слово частоты = 0x189374D

[Теория функционирования]

Синусоидальные сигналы обычно представляют с точки зрения их амплитуды: a(t) = sin(ωt). Однако эти синусоидальные сигналы нелинейны, и их непросто генерировать, кроме как строить по кусочкам. С другой стороны, угловая информация по своей природе линейна. Таким образом, для определенной частоты угол фазы поворачивается на фиксированный угол для каждой единицы времени. Скорость изменения угла зависит от частоты сигнала по традиционному соотношению ω = 2πf.

Рис. 23. Синусоидальный сигнал и закон изменения его фазы.

Зная о том, что фаза синусоидального сигнала линейна на указанном интервале времени (периоде тактирования), можно определить поворот фазы для этого периода.

ΔPhase = ωΔt

Угол ω вычисляется как

ω = ΔPhase/Δt = 2πf

Если вычислить f и подставить опорную частоту для опорного периода (1/f_MCLK = Δt), то получится формула

f = ΔPhase * f_MCLK / 2π

AD9833 строит свой выходной сигнал на основе этого простого выражения. Простой чип DDS может реализовать это выражение тремя основными промежуточными узлами: управляемый через через цифровой интерфейс генератор (numerically controlled oscillator, NCO) и модулятор фазы, ПЗУ синуса (SIN ROM) и цифро-аналоговый преобразователь (digital-to-analog converter, DAC).

Каждый из этих узлов описан в разделе "Описание внутренней схемы AD9833".

[Описание внутренней схемы AD9833]

AD9833 это полностью интегрированный чип прямого цифрового синтеза (direct digital synthesis, DDS). Для его работы требуется одна опорная частота, один резистор не высогой точности, и развязывающие конденсаторы, чтобы его схема синтезировала синусоидальный сигнал с частотой до 12.5 МГц. Дополнительно чип может генерировать широкий диапазон простых и сложных схем модуляции. Эти схемы модуляции полностью реализованы в цифровом домене, позволяя точно и просто реализовать сложные алгоритмы модуляции, используя техники DSP.

Внутренняя схема AD9833 состоит из следующих основных частей: управляемый числами генератор (NCO), модуляторы частоты и фазы, SIN ROM, DAC и регулятор.

NCO плюс модулятор фазы. Эта часть схемы состоит из двух регистров выбора частоты, аккумулятора фазы, двух регистров смещения фазы и сумматора смещения фазы. Основной компоненты NCO это 28-битный аккумулятор фазы. Непрерывные по времени сигналы работают с диапазоном изменения фазы от 0 до 2π. Вне этого диапазона чисел синусоидальные функции повторяют сами себя периодически. Цифровая реализация ничем не отличается. Аккумулятор просто масштабирует диапазон значений фазы в многобитное цифровое слово. Аккумулятор фазы в AD9833 реализован как 28-разрядный счетчик. Таким образом в AD9833 период 2π = 2²⁸. Подобным образом понятие ΔPhase масштабируется в этот диапазон чисел:

0 < ΔPhase < 2²⁸ - 1

С этими подстановками предыдущее выражение получается в таком виде:

f = ΔPhase * f_MCLK / 2²⁸

где 0 < ΔPhase < 2²⁸ - 1.

Вход аккумулятора фазы может быть выбран или из регистра FREQ0, или из регистра FREQ1, что управляется битом FSELECT. Генераторы NCO по сути формируют непрерывные по фазе сигналы, поэтому амплитуда на выходе остается неразрывной при переключениях между частотами.

Следуя за NCO, можно добавить смещение фазы, чтобы реализовать модуляцию фазы, используя 12-битные регистры фазы. Содержимое одного из этих регистров добавляется к самым старшим битам NCO. У AD9833 есть 2 регистра фазы; их разрешающая способность составляет 2π/4096.

SIN ROM. Чтобы сделать выход NCO полезным для использования, он должен быть преобразован в синусоидальное значение. Поскольку информация фазы прямо привязана к амплитуде, SIN ROM использует эту цифровую информацию фазы в качестве адреса в таблице, и таким способом преобразует информацию фазы в амплитуду. Хотя NCO имеет 28-битный аккумулятор фазы, выход NCO обрезается до 12 бит. С использованием полного разрешения аккумулятора фазы непрактично, и это не требуется, поскольку это потребовало бы таблицы из 2²⁸ записей. Требуется только такая разрешающая способность по фазе, чтобы исключить ошибки усечения из-за разрешающей способности меньше, чем разрешающая способность 10-битного DAC. Это требует, чтобы SIN ROM имело на 2 бита больше разрешающей способности, чем 10-битный DAC (т. е. 12 бит).

SIN ROM разрешается с использованием бита режима (D1) в регистре управления (см. таблицу 15).

DAC. Внутри AD9833 имеется 10-битный DAC (цифро-аналоговый преобразователь, ЦАП), работающий на основе источника тока с высоким сопротивлением. DAC получает цифровые данные из SIN ROM, и преобразует их в соответствующие аналоговые напряжения.

DAC сконфигурирован для работы в асимметричном режиме. Внешний нагрузочный резистор не требуется, потому что устройство имеет встроенный резистор 200 Ω. DAC генерирует выходное напряжение типичного уровня 0.6V от пика до пика.

Регулятор. VDD предоставляет питание, требуемое для аналоговой части и цифровой части AD9833. Это питание может иметь значение напряжения от 2.3 V до 5.5 V.

Внутренняя цифровая секция AD9833 работает от напряжения 2.5V. Внутренний встроенный регулятор понижает напряжение, прикладываемое к VDD, до уровня 2.5V. Когда внешнее прикладываемое к VDD напряжение меньше или равно 2.7V, выводы CAP/2.5V и VDD должны быть соединены друг с другом, это пропускает использование встроенного регулятора.

[Функциональное описание]

Последовательный интерфейс. AD9833 подключается через стандартный 3-проводный последовательный интерфейс, совместимый со стандартами SPI, QSPI™, MICROWIRE^® и интерфейсами цифровых процессоров DSP.

Данные загружаются в устройство как 16-битное слово под управлением последовательных тактов вывода SCLK. Форма сигналов интерфейса и диаграммы времени показаны на рис. 4.

Вход FSYNC работает по уровню как синхронизация фрейма и разрешающий сигнал интерфейса (chip enable). Данные могут быть переданы в устройство только если FSYNC находится в состоянии лог. 0. Для запуска последовательной передачи FSYNC нужно перевести в лог. 0, соблюдая минимальное время установки после спада FSYNC, интервал между спадом FSYNC до спада SCLK, время t₇. После того, как FSYNC перешел в лог. 0, последовательные данные вдвигаются во входной регистр сдвига устройства по спадам уровня (от лог. 1 к лог. 0) сигнала SCLK для 16 тактовых импульсов. FSYNC может перейти в лог. 1 после 16-го спада SCLK, с соблюдением минимального времени между спадом SCLK и нарастанием FSYNC, время t₈. Альтернативно FSYNC можно удерживать в лог. 0 на кратное 16 количество импульсов SCLK, и затем перевести FSYNC в лог. 1 после окончания передачи данных. Таким способом можно загрузить в микросхему непрерывный поток 16-битных слов, в то время как FSYNC удерживается в состоянии лог. 0; FSYNC перейдет в лог. 1 только после 16-того спада SCLK последнего загруженного слова.

Между отдельными операциями записи импульсы SCLK могут идти непрерывно, или они могут быть в любом состоянии - лог. 1 или лог. 0. В любом случае уровень на SCLK должен быть в лог. 1, когда сигнал FSYNC переводится в лог. 0 (t₁₁).

Пример того, как программировать AD9833, см. в апноуте AN-1070 на сайте компании Analog Devices.

Питание AD9833. Алгоритм на рис. 26 показывает принцип работы с AD9833. Когда AD9833 включается подачей питания, она должна быть сброшена. Это сбрасывает внутренние регистры в 0, чтобы установить аналоговый выход в среднее состояние.

Чтобы избежать случайных сигналов на выходе DAC при инициализации AD9833, бит сброса должен быть установлен в 1, пока микросхема не будет готова генерировать выходной сигнал. Сброс не сбрасывает регистры фазы, частоты или управления. Эти регистры будут содержать недопустимые данные, и поэтому должны быть установлены пользователем в определенное значение. Бит сброса должен быть тогда установлен в 0, чтобы на выходе появился генерируемый сигнал. Данные появятся на выходе DAC через 7 или 8 тактов MCLK после того, как бит сброса будет установлен в 0.

Период латентности (задержка). Задержка здесь связана с асинхронной операцией записи в AD9833. Если в выбранный регистр частоты или фазы загружено новое слово, то имеется задержка 7 или 8 тактов MCLK перед тем, как поменяется сигнал на аналоговом выходе. Какая будет задержка - 7 или 8 циклов - зависит от позиции фронта нарастания MCLK, когда данные загружаются в регистр назначения.

Регистр управления. AD9833 содержит 16-битный регистр управления, который позволяет пользователю конфигурировать работу AD9833. Все биты управления, кроме бита режима (mode bit) анализируются по внутреннему спаду сигнала MCLK.

В таблице 6 описаны отдельные биты регистра управления. Различные функции и разные опции выхода AD9833 описаны более подробно в секции "Регистры частоты и фазы".

Чтобы оповестить AD9833, что содержимое регистра управления поменялось, биты D15 и D14 должны быть установлены в 0, как показано в таблице 5.

Таблица 5. Биты регистра управления.

Рис. 24. Функции бит управления.

Таблица 6. Описание бит в регистре управления.

Регистры частоты и фазы. AD9833 два регистра частоты и 2 регистра фазы, которые описаны в таблице 7.

Таблица 7. Регистры частоты и фазы.

На аналоговом выходе AD9833 будет частота

f_MCLK/2²⁸ * FREQREG

где FREQREG это значение, загруженное в выбранный регистр частоты. Этот сигнал по фазе сдвинут на

2π/4096 * PHASEREG

где PHASEREG это значение, содержащееся в выбранном регистре фазы. Должно быть уделено вниманию взаимосвязи между выбранной выходной частотой и опорной частотой, чтобы избежать нежелательных аномалий на выходе.

На рис. 28 показан алгоритм подпрограммы для записи регистров частоты и фазы AD9833.

Функция сброса. Эта функция сбросит внутренние регистры в 0, при этом аналоговый выход перейдет в среднее состояние. Сброс не сбрасывает регистры фазы, частоты или управления. Когда на микросхему AD9833 подается питание, она должна быть сброшена. Чтобы сбросить AD9833, установите бит сброса (reset bit) в лог. 1. Чтобы вывести микросхему из сброса, установите этот бит в лог. 0. Сигнал появится на выходе DAC через 8 тактов MCLK после того, как бит сброса будет установлен в 0.

Таблица 13. Применение функции сброса (влияние значения бита Reset).

Функция сна. Секции AD9833, которые не используются, могут быть выключены для минимизации потребления энергии. Это осуществляется функцией сна (sleep). Узлы микросхемы, которые могут быть отключены, это внутреннее тактирование и DAC. Биты, требуемые для задействования функции сна, описаны в таблице 14.

Таблица 14. Применение функции сна (влияние состояния битов SLEEP1 и SLEEP12).

Выход VOUT. AD9833 предоставляет различный вывод сигнала, все эти сигналы появляются на выводе VOUT. Выбранная форма сигнала определяется старшим битом (MSB) данных DAC: вывод синусоиды или вывод треугольника. Бит OPBITEN (D5) и бит режима (D1) регистра управления используются для выбора, какой вывод доступен из AD9833.

[Информация по применению]

Из-за разных опций выходного сигнала AD9833 может быть сконфигурирована для широкого спектра приложений.

Одна из областей - приложения модуляции. Может быть реализована простая модуляция, такая как FSK (по русски это частотная манипуляция). Более сложные схемы модуляций, такие как GMSK (Гауссовская частотная модуляция с минимальным сдвигом) and QPSK (квадратурная фазовая манипуляция), также могут быть реализованы на AD9833.

В приложении FSK два регистра частоты загружаются разными значениями. Одна частота представляет частоту пробела (space frequency), в то время как другая представляет частоту маркера (mark frequency). С помощью программной манипуляции состоянием бита FSELECT в регистре управления пользователь может модулировать частоту несущей этими двумя значениями.

У AD9833 есть 2 регистра фазы, которые позволяют реализовать модуляцию PSK. При манипулировании сдвигом фазы получается модуляция PSK, при этом фаза меняется на величину, связанную с битовым потоком, поступающим на вход модулятора.

AD9833 также подходит для приложений генератора сигналов. Из-за того, что MSB данных DAC доступен на выводе VOUT, устройство может быть использовано для генерации прямоугольного сигнала.

С малым энергопотреблением микросхема подходит для приложений, где она может использоваться как локальный генератор в переносных устройствах.

Заземление и разводка печатной платы. Печатная плата (printed circuit board, PCB), на которой размещена AD9833, должна быть разработана так, чтобы аналоговая и цифровая секции цепей были разделены и ограничены определенными областями платы. Это упрощает использование раздельных заливок шиной земли (ground plane). Техника разводки с минимальным тралением меди обычно лучше всего подходит для заливок, потому что дает лучшее экранирование. Цифровые и аналоговые заливки должны быть соединены друг с другом только в одном месте. Если AD9833 является единственным устройством, требующим соединения AGND с DGND, то их заливки должны подключаться к цепям AGND и DGND на выводах AD9833. Если AD9833 находится в системе, где несколько устройств требуют соединений AGND с DGND, то соединение должно быть сделано в одной точке, сформированной в виде звезды, которая должна находиться как можно ближе к AD9833.

Избегайте прокладки цифровых сигналов под микросхемой AD9833, поскольку они вызывают наводки на аналоговые сигналы. Аналоговой заливке следует позволить проходить под AD9833, чтобы избежать наводок шума. Линии питания, приходящие к AD9833, должны использовать по возможности широкие проводники, чтобы уменьшить сопротивление цепей тока и снизить эффекты пульсаций на линии питания. Быстро переключающиеся сигналы, такие как такты, должны быть экранированы цифровой землей, чтобы избежать наводок шума на другие секции платы.

Избегайте пересечения аналоговых и цифровых сигналов. Проводники на противоположных сторонах платы должны находиться друг к другу под прямым углом. Это снижает эффекты перекрестных помех между сигналами через плату. Микрополосковая техника является безусловно лучшей, но она не всегда возможна на двусторонней плате. В такой технике сторона компонентов выделена целиком (или почти целиком) под заливки медью, и все сигналы стараются разместить на противоположной стороне.

Важна хорошая блокировка конденсаторами цепей питания. К AD9833 должны быть подключены блокировочные керамические конденсаторы 0.1 мкф параллельно танталовым конденсаторам на 10 мкф. Чтобы достичь наибольшей эффективности развязывающих конденсаторов, они должны быть размещены максимально близко к корпусу микросхемы.

Рис. 26. Алгоритм инициализации и работы AD9833.

Рис. 27. Алгоритм инициализации.

Рис. 28. Алгоритм операций записи данных.

[Подключение к микроконтроллеру]

AD9833 снабжена стандартным последовательным интерфейсом, что позволяет подключить её напрямую к любому микроконтроллеру. Устройство использует внешнее тактирование для записи данных или информации управления. Такты для данных могут быть с максимальной частотой 40 МГц. Такты данных могут следовать непрерывно, или могут иметь статический уровень (0 или 1) в неактивном состоянии между операциями записи. Когда данные или управляющая информация записываются в AD9833, сигнал FSYNC переводится в лог. 0 и удерживается в таком состоянии, пока в AD9833 не будут записаны 16 данных. Сигнал FSYNC задает фреймы информации по 16 бит, загружаемые в AD9833.

Интерфейс 68HC11/68L11. На рис. 29 показан последовательный интерфейс между AD9833 и микроконтроллером 68HC11/68L11. Микроконтроллер сконфигурирован как мастер установкой в лог. 1 бита MSTR регистра SPCR. Эта установка предоставляет тактовый сигнал данных на вывод SCK; выход MOSI поставляет последовательные данные сигнала SDATA. Поскольку у микроконтроллера нет специального выделенного вывода для сигнала синхронизации фрейма, то сигнал FSYNC получается от ножки порта GPIO (PC7). Условия настройки для корректной работы интерфейса следующие:

• SCK удерживается в лог. 1 между операциями записи (CPOL = 0)
• Данные MOSI достоверны на спаде сигнала SCK (CPHA = 1)

Когда данные передаются в AD9833, сигнал FSYNC переводится в лог. 0 (ножкой порта PC7). Последовательные данные из 68HC11/68L11 передаются по байтам (2 посылки по 8 бит), 8 перепадов тактов происходят в одном цикле передачи. Данные передаются старшим битом (MSB) вперед. Для загрузки данных в AD9833 ножка PC7 удерживается в лог. 0 после передачи 8 бит, и выполняется вторая операция записи в AD9833. Только после второй посылки из 8 бит сигнал FSYNC должен быть переведен в лог. 1. Таким способом формируется фрейм из 16 бит данных.

Рис. 29. Подключение 68HC11/68L11 к интерфейсу AD9833.

Интерфейс 80C51/80L51. На рис. 30 показан последовательный интерфейс между AD9833 и микроконтроллером 80C51/80L51. Микроконтроллер работает в Mode 0, так что TxD чипа 80C51/80L51 управляет сигналом SCLK AD9833, и ножка RxD управляет сигналом данных SDATA. Сигнал FSYNC получается от ножки GPIO P3.3.

Рис. 30. Подключение 80C51/80L51 к интерфейсу AD9833.

Когда данные передаются в AD9833, порт P3.3 удерживается в лог. 0. 80C51/80L51 передает данные в по 8 бит, так что только 8 перепадов тактов появляются в каждом цикле. Чтобы загрузить оставшуюся порцию из 8 бит в AD9833, порт P3.3 удерживается в лог. 0 после передачи первой порции из 8 бит, и инициируется вторая операция записи для передачи второго байта данных. P3.3 переводится в лог. 1 после завершения второй операции записи. Сигнал SCLK должен удерживаться в лог. 1 между двумя операциями записи.

80C51/80L51 выводит последовательные данные в формате, когда LSB идет первым. Но AD9833 принимает первым бит MSB (первые 4 MSB содержат информацию управления, следующие 4 бита содержат адрес, и оставшиеся 8 бит LSB содержат данные, когда они записываются в регистр назначения). Таким образом, подпрограмма передачи должна учитывать это обстоятельство, чтобы перетасовать порядок следования бит так, чтобы MSB выводился первым.

Интерфейс DSP56002. Рис. 31 показывает интерфейс между AD9833 и DSP56002. DSP56002 конфигурируется для нормального асинхронного режима работы с управляемым внутренним тактированием (SYN = 0, GCK = 1, SCKD = 1). Сигнал фрейма генерируется внутри микроконтроллера (SC2 = 1), передачи настраиваются на длину 16 бит (WL1 = 1, WL0 = 0), и сигнал синхронизации фрейма соответствует 16 битам (FSL = 0). Сигнал синхронизации фрейма доступен на выводе SC2, но он должен быть проинвертирован перед тем, как подать его на AD9833. Интерфейс с DSP56000/DSP56001 подобен интерфейсу с DSP56002.

Рис. 31. Подключение DSP56002 к интерфейсу AD9833.

Интерфейс с AVR. На рисунке ниже показан пример подключения AD9833 к микроконтроллеру ATmega32A. В качестве канала связи используется интерфейс SPI, сигнал FSYNC управляется аппаратно, с помощью порта GPIO PB1.

Во врезке приведен пример программирования.

/*

 * File: code for controlling the ad9833 DDS

 * Author: Tuomas Nylund (tuomas.nylund@gmail.com)

 * Website: http://tuomasnylund.fi*

 * This program is free software: you can redistribute it and/or modify

 * it under the terms of the GNU General Public License as published by

 * the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or

 * (at your option) any later version.

 *

 * This program is distributed in the hope that it will be useful,

 * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of

 * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the

 * GNU General Public License for more details.

 *

 * You should have received a copy of the GNU General Public License

 * along with this program. If not, see http://www.gnu.org/licenses/.

 */

/*

 *

 * \file ad9833.h

 *

 * Заголовочный файл для ad9833.c.

 */

/**\defgroup ad9833_h ad9833.h - Библиотека AVR для AD9833

 * Эта библиотека работает с чипом DDS AD9833. Для неё нужна

 * библиотека \ref spi_h

 *

 * \section ad9833_example Example

 * \code

 *      // Инициализация AD9833:

 *      ad9833_init();

 *

 *      // Установка регистра частоты 0 на частоту 10 кГц:

 *      ad9833_set_frequency(0,10000);

 *

 *      // Запуск генерации из регистра частоты 0:

 *      ad9833_set_freq_out(0);

 *

 *      // Установка синусоидальной формы сигнала:

 *      ad9833_set_mode(AD_SINE);

 * \endcode

 *

 *

 * \ingroup ad9833

 * @{

 */

#ifndef _AD9833_H_

#define _AD9833_H_

/** \name AD9833 Настройки и макросы для управления выводом FrameSync 

* @{

 */

#define AD_FSYNC_PORT PORTB

#define AD_FSYNC_DDR  DDRB

#define AD_FSYNC_BIT  PB1

#define AD_FSYNC_HI() AD_FSYNC_PORT |=  (1 << AD_FSYNC_BIT)

#define AD_FSYNC_LO() AD_FSYNC_PORT &= ~(1 << AD_FSYNC_BIT)

/** @} */

/** \name Режимы вывода формы сигнала AD9833

 * Параметры для \ref ad9833_set_mode()

 * @{

 */

#define AD_OFF      0

#define AD_TRIANGLE 1

#define AD_SQUARE   2

#define AD_SINE     3

/**@}*/

/** \name Биты регистра команд AD9833

 * @{

 */

#define AD_B28     13

#define AD_HLB     12

#define AD_FSELECT 11

#define AD_PSELECT 10

#define AD_RESET   8

#define AD_SLEEP1  7

#define AD_SLEEP12 6

#define AD_OPBITEN 5

#define AD_DIV2    3

#define AD_MODE    1

/** @}*/

/** \name Адреса регистров AD9833

 * @{

 */

#define AD_FREQ0  (1 << 14)

#define AD_FREQ1  (1 << 15)

#define AD_PHASE0 (3 << 14)

#define AD_PHASE1 ((3 << 14)|(1 << 13))

/** @}*/

/** \name Макросы для вычислений AD9833

 * @{

 */

#define AD_F_MCLK 25000000    // Опорная частота тактов ad9833

#define AD_2POW28 268435456   // Используется для вычисления выходной частоты

/** Макрос, который вычисляет значение регистра частоты по заданной частоте */

#define AD_FREQ_CALC(freq) (uint32_t)(((double)AD_2POW28/(double)AD_F_MCLK*freq)*4)

/** Макрос, который вычисляет значение для прерывания

 *  Timer1 output compare по заданной частоте модуляции */

#define AD_MOD_FREQ_CALC(freq) (F_CPU/(64*(uint32_t)freq))

/** Макрос, который вычисляет значение регистра фазы ad9833

 *  по значению фазы в градусах */

#define AD_PHASE_CALC(phase_deg) (uint16_t)((512*phase_deg)/45)

/** @} */

/** \name Макросы для Timer1

 * @{

 */

#define TIMER_START() ICCR1B |=   (1 << CS11)|(1 << CS10)

#define TIMER_STOP()  ICCR1B &= ~((1 << CS11)|(1 << CS10))

/** @} */

/** Структура, где хранятся все значения конфигурации, инициализированные

 *  в глобальной переменной файла ad9833.c

 */

typedef struct {
    float    freq[2]; // Здесь хранятся частоты
    float    phase[2];
    float    mod_freq;
    uint8_t  freq_out;
    uint8_t  phase_out;
    uint8_t  mode;
    uint16_t command_reg;
} ad9833_settings_t;

// Некоторые функции возможно следует реализовать встраиваемыми (inline)

// для получения большей эффективности...

void ad9833_init(void);

void ad9833_set_mode(uint8_t mode);

void    ad9833_set_frequency(uint8_t reg, double freq);

double  ad9833_get_frequency(uint8_t reg);

void    ad9833_set_phase(uint8_t reg, double phase);

double  ad9833_get_phase(uint8_t reg);

void    ad9833_set_freq_out(uint8_t freq_out);

uint8_t ad9833_get_freq_out(void);

void    ad9833_set_phase_out(uint8_t phase_out);

uint8_t ad9833_get_phase_out(void);

void    ad9833_set_mod_freq(uint16_t freq);

void    ad9833_set_mod_bytes(uint8_t num, uint8_t *bytes, uint8_t repeat);

#endif

/** @} */ 

/*

 * File: code for controlling the ad9833 DDS

 * Author: Tuomas Nylund (tuomas.nylund@gmail.com)

 * Website: http://tuomasnylund.fi

*/

/**

 * \file ad9833.c

 *

 * Функции для управления чипом AD9833 DDS через микроконтроллер AVR.

 * Этот чип позволяет генерить синус, прямоугольник и треугольник на

 * частотах от примерно 0.1 Гц до 3 МГц.

 *

 * Он также позволяет осуществлять простую двоичную модуляцию в форме

 * FSK и PSK. Также должна быть возможна амплитудная модуляция, но она

 * здесь пока не реализована.

 */

#include < avr/io.h >

#include < avr/interrupt.h >

#include < util/delay.h >

#include "ad9833.h"

#include "spi.h"

ad9833_settings_t ad_settings; // Это используется для сохранения настроек.

/**

 * Функция обертки для отправки 16-битных пакетов SPI.

 * \param packet 16-битное значение для отправки через SPI.

 */

static inline void ad9833_send(uint16_t packet)

{
   spi_send_byte((uint8_t)(packet >> 8));
   spi_send_byte((uint8_t)packet);
}

/**

 * Инициализирует AD9833 и относящиеся к ней переменные.

 * Также инициализируется Timer1, используемый для для

 * реализации модуляции.

 */

void ad9833_init(void)
{
   //Инициализация вывода FSYNC (он работает как выборка
   // с активным лог. 0):
   ad_settings.command_reg |= (1 << AD_B28);
   AD_FSYNC_DDR |= (1 << AD_FSYNC_BIT);
   AD_FSYNC_HI();

   //Инициализация модулирующего таймера:
   TCCR1B |= (1 << WGM12);         // Таймер в режиме CTC
   TCCR1B |= (1 << CS11)|(1 << CS10);// Делитель тактов на 64
   TIMSK |= (1 << OCIE1A);
   OCR1A = 0xFFF0;

   // Задержка, взятая из даташита:
   _delay_us(10);

   // Начало с выключением питания DAC и сбросом
   AD_FSYNC_LO();
   _delay_us(5);
   ad9833_send((1 << AD_SLEEP12)|(1 << AD_RESET));
   ad_settings.command_reg |= (1 << AD_SLEEP12);
   _delay_us(5);
   AD_FSYNC_HI();

   // Установка некоторых хороших значений по умолчанию.
   ad9833_set_frequency(0, 0);
   ad9833_set_frequency(1, 0);
   ad9833_set_phase(0, 0);
   ad9833_set_phase(1, 0);
   ad9833_set_freq_out(0);
   ad9833_set_phase_out(0);
}

/**

 * Установка формы выходного сигнала ad9833 в соответствии в входным параметром.

 * \param mode возможные значения:

 *      - AD_OFF

 *      - AD_TRIANGLE

 *      - AD_SQUARE

 *      - AD_SINE

 */

void ad9833_set_mode(uint8_t mode){
    ad_settings.mode = mode;
    switch (mode){
        case AD_OFF:
            ad_settings.command_reg |= (1 << AD_SLEEP12);
            ad_settings.command_reg |= (1 << AD_SLEEP1);
            break;
        case AD_TRIANGLE:
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_OPBITEN);
            ad_settings.command_reg |=  (1 << AD_MODE);
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_SLEEP12);
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_SLEEP1);
            break;
        case AD_SQUARE:
            ad_settings.command_reg |=  (1 << AD_OPBITEN);
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_MODE);
            ad_settings.command_reg |=  (1 << AD_DIV2);
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_SLEEP12);
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_SLEEP1);
            break;
        case AD_SINE:
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_OPBITEN);
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_MODE);
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_SLEEP12);
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_SLEEP1);
            break;
    }
    AD_FSYNC_LO();
    //_delay_us(5);
    ad9833_send(ad_settings.command_reg);
    //_delay_us(5);
    AD_FSYNC_HI();
}

/**

 * Установка требуемого внутреннего регистра фазы ad9833.

 *

 * \param reg номер регистра фазы, 0 или 1

 * \param phase требуемая фаза

 */

void ad9833_set_phase(uint8_t reg, double phase){
    uint16_t reg_reg;
    if (reg==1)
        reg_reg = AD_PHASE1;
    else
        reg_reg = AD_PHASE0;

    ad_settings.phase[reg] = phase;

    AD_FSYNC_LO();
    //_delay_us(5);
    ad9833_send(reg_reg | AD_PHASE_CALC(ad_settings.phase[reg]));
    //_delay_us(5);
    AD_FSYNC_HI();
}

/**

 * Возвращает фазу выбранного регистра

 * \param reg регистр, фазу которого нужно получить

 * \return фаза выбранного регистра

 */

double ad9833_get_phase(uint8_t reg){
    return ad_settings.phase[reg];
}

/**

 * Выбирает регистр частоты, который используется для генерации

 * выходного сигнала. Также используется для модуляции

 * FSK (частотная манипуляция).

 * \param freq_out возможные значения:

 *      - 0 = использовать регистр частоты 0

 *      - 1 = использовать регистр частоты 1

 *      - 2 = FSK

 */

void ad9833_set_freq_out(uint8_t freq_out){
    ad_settings.freq_out = freq_out;
    switch (freq_out){
        case 0:
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_FSELECT);
            break;
        case 1:
            ad_settings.command_reg |= (1 << AD_FSELECT);
            break;
        case 2:
            // Пока не реализовано...
            break;
    }

    AD_FSYNC_LO();
    //_delay_us(5);
    ad9833_send(ad_settings.command_reg);
    //_delay_us(5);
    AD_FSYNC_HI();
}

/**

 * Возвращает ранее установленный номер регистра

 * вывода частоты.

 * \return ранее установленный регистр частоты

 */

uint8_t ad9833_get_freq_out(void){
    return ad_settings.freq_out;
}

/**

 * Выбирает регистр фазы, используемый для генерации

 * выходного сигнала. Также используется для

 * модуляции PSK (фазовая манипуляция).

 * \param phase_out возмнозные значения:

 *  - 0 = использовать регистр фазы 0

 *  - 1 = использовать регистр фазы 1

 *  - 2 = PSK */

void    ad9833_set_phase_out(uint8_t phase_out){
    ad_settings.phase_out = phase_out;
    switch (phase_out){
        case 0:
            ad_settings.command_reg &= ~(1 << AD_PSELECT);
            break;
        case 1:
            ad_settings.command_reg |= (1 << AD_PSELECT);
            break;
        case 2:
            // Пока не реализовано...
            break;
    }

    AD_FSYNC_LO();
    //_delay_us(5);
    ad9833_send(ad_settings.command_reg);
    //_delay_us(5);
    AD_FSYNC_HI();
}

/**

 * Вернет ранее установленный режим выхода фазы.

 * \return the ранее установленный режим фазы

 */

uint8_t ad9833_get_phase_out(void){
    return ad_settings.phase_out;
}

/**

 * Устанавливает внутренний регистр частоты ad9833 на значение,

 * соответствуещее выбранной частоте.

 *

 * \param reg регистр частоты, 0 или 1

 * \param freq требуемая частота

 */

void ad9833_set_frequency(uint8_t reg, double freq){
    uint32_t freq_reg;
    uint16_t reg_reg;
    freq_reg = AD_FREQ_CALC(freq);
    ad_settings.freq[reg] = freq;

    if (reg==1)
        reg_reg = AD_FREQ1;
    else
        reg_reg = AD_FREQ0;

    AD_FSYNC_LO();
    //_delay_us(5);
    ad9833_send((1 << AD_B28) | ad_settings.command_reg);
    ad9833_send(reg_reg | (0x3FFF&(uint16_t)(freq_reg >> 2 )));
    ad9833_send(reg_reg | (0x3FFF&(uint16_t)(freq_reg >> 16)));
    //_delay_us(5);
    AD_FSYNC_HI();
}

/**

 * Возвратит выбранный регистр.

 * \param reg регистр, значение которого хотим получить

 * \return частота выбранного регистра

 */

double ad9833_get_frequency(uint8_t reg){
    return ad_settings.freq[reg];
}

/**

 * Устанавливает частоту модуляции.

 *

 * \param freq выбранная частота модуляции

 */

void    ad9833_set_mod_freq(uint16_t freq){
    ad_settings.mod_freq = freq;
    OCR1A = AD_MOD_FREQ_CALC(freq);
}

/** * Устанавливает байты для модуляции

 * ПОКА НЕ РЕАЛИЗОВАНО

 *

 * \param num количество отправляемых байт

 * \param bytes указатель на массив отправляемых байт

 * \param repeat сколько раз повторить отправку

 */

void ad9833_set_mod_bytes(uint8_t num, uint8_t *bytes, uint8_t repeat){
    //TODO ...
}

/**

 * Прерывание таймера, обрабатывающее модуляцию

 */
ISR(TIMER1_COMPA_vect){
    uint16_t check = ad_settings.command_reg;
    //TODO: реализовать модуляцию для реальных сигналов
    if (ad_settings.freq_out  == 2)
        ad_settings.command_reg ^= ((uint16_t)1 << AD_FSELECT);
    if (ad_settings.phase_out == 2)
        ad_settings.command_reg ^= ((uint16_t)1 << AD_PSELECT);

    if (check != ad_settings.command_reg){
        AD_FSYNC_LO();
        //_delay_us(5);
        ad9833_send(ad_settings.command_reg);
        //_delay_us(5);
        AD_FSYNC_HI();
    }
}

/** File: simple SPI routines for AVR

 * Author: Tuomas Nylund (tuomas.nylund@gmail.com)

 * Website: http://tuomasnylund.fi

 *

 * This program is free software: you can redistribute it and/or modify

 * it under the terms of the GNU General Public License as published by

 * the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or

 * (at your option) any later version.

 *

 * This program is distributed in the hope that it will be useful,

 * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of

 * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the

 * GNU General Public License for more details.

 *

 * You should have received a copy of the GNU General Public License

 * along with this program. If not, see http://www.gnu.org/licenses/.

 */

/** \file spi.h

 * Заголовочный файл для spi.c

 */

#ifndef SPI_H_

#define SPI_H_

/** \defgroup spi_h spi.h - Библиотека AVR SPI.

 * Это очень простая библиотека SPI, которая использует внутреннее

 * периферийное устройство SPI микроконтроллера AVR.

 *

 * Она не использует прерывания, вместо этого применен опрос флага.

 *

 * Любые сигналы выборки можно реализовать самостоятельно с помощью

 * манипуляции выводами GPIO микроконтроллера.

 *

 *

 * \section example Example

 * \code

 *      // Инициализация SPI:

 *      spi_init(SPIMODE0|MSB_FIRST|CLOCKDIV4);

 *      

 *      // Отправка байта:

 *      spi_send_byte(0xAA);

 *

 *      // Прием байта:

 *      uint8_t rcv;

 *      rcv = spi_read_byte();

 * \endcode

 *

 * @{ */

#include < avr/io.h >

/** \name Определение ножек SPI

 * @{ */

#define SPI_DDR      DDRB

#define SPI_MOSI_BIT PB5

#define SPI_SCK_BIT  PB7

#define SPI_CS_BIT   PB4

/** @} */

/** \name Маски режима SPI

 * использутся в \ref spi_init()

 * @{ */

#define SPIMODE0   (0 << CPHA)

#define SPIMODE1   (1 << CPHA)

#define SPIMODE2   (2 << CPHA)

#define SPIMODE3   (3 << CPHA)

/** @} */

/** \name Маски, управляющие порядком следования бит данных SPI

 * использутся в \ref spi_init()

 * @{ */

#define LSB_FIRST  (1 << DORD)

#define MSB_FIRST  (0 << DORD)

/** @} */

/** \name Маски управления скоростью тактов SPI

 * использутся в \ref spi_init()

 * @{ */

#define CLOCKDIV4  (0 << SPR0)

#define CLOCKDIV16 (1 << SPR0)

#define CLOCKDIV64 (2 << SPR0)

/** @} */

void spi_init(uint8_t setup);

void spi_send_byte(uint8_t data);

uint8_t spi_read_byte(void);

#endif

/** @} */

/** File: simple SPI routines for AVR

 * Author: Tuomas Nylund (tuomas.nylund@gmail.com)

 * Website: http://tuomasnylund.fi

 */

/** \file spi.c

 * Простой код для использования периферийного устройства AVR SPI,

 * работающий по опросу (polling, т. е. без прерываний)

 */

#include "spi.h"

/**

 * Инициализирует AVR SPI в соответствии с указанными параметрами.

 * \param setup это опции SPI, которые могут быть маской, составленной

 *              из SPIMODE*, *_FIRST, CLOCKDIV*. */

void spi_init(uint8_t setup)
{
   SPI_DDR |= (1 << SPI_MOSI_BIT)|(1 << SPI_SCK_BIT)|(1 << SPI_CS_BIT);
   SPCR     = (1 << SPE)|(1 << MSTR)|setup;
}

/**

 * Посылает один байт через SPI с использованием опроса.

 * \param data байт для отправки

 */

void spi_send_byte(uint8_t data)
{
   SPDR = data;
   while(!(SPSR & (1 << SPIF)));
}

/**

 * Прием одного байта через SPI с использованием опроса.

 * \return принятый байт

 */

uint8_t spi_read_byte(void)
{
   SPDR = 0x00;
   while(!(SPSR & (1 << SPIF)));
   return SPDR;
}

   /* Инициализация SPI */
   spi_init(SPIMODE2);

   /* Инициализация AD9833 */
   ad9833_init();
   
   /* Программирование формы сигнала wave и частоты freq */
   ad9833_set_frequency(0, freq);
   switch(wave)
   {
   case SYM_SINE:
      ad9833_set_mode(AD_SINE);
      mcp41010_write(levelSINE);
      break;
   case SYM_TRIA:
      ad9833_set_mode(AD_TRIANGLE);
      mcp41010_write(levelTRIANGLE);
      break;
   case SYM_SQUA:
      ad9833_set_mode(AD_SQUARE);
      mcp41010_write(levelSQUA);
      break;

[Самодельный генератор сигналов]

За несколько дней собрал генератор сигналов на основе платки, купленной на aliexpress, и макетной платы AVR-USB-MEGA16. Генератор имеет LCD-индикатор BC1601A1 (16x1) и простой интерфейс управления, состоящий из энкодера и кнопки.

Что умеет генератор:

• Можно менять частоту в диапазоне от 0 до 12500000 Гц с дискретностью 1 Гц.
• Можно изменять форму сигнала - синус, треугольник, прямоугольник.
• Можно регулировать амплитуду выходного сигнала. Для синусоидального и треугольного сигнала размах выходного напряжения (от пика до пика) регулируется от 0 до 3.6V с шагом 14 mV. Для прямоугольного сигнала размах выходного напряжения регулируется от 0 до 5.2V с шагом 0.124V.
• Энергонезависимая память, где хранятся настройки на 10 запрограммированных частот (вместе с формой сигнала и установленным напряжением).
• Генератор можно перепрограммировать через USB.
• Питание генератора может осуществляться через USB или от источника постоянного тока от 9 до 15V. Потребляемый ток порядка 170..180 mA.

Исходный код и документацию можно скачать по ссылке [5].

[Ссылки]

1. AD9833: Low Power, 12.65 mW, 2.3 V to 5.5 V, Programmable Waveform Generator site:analog.com.
2. Функциональный генератор на AD9833, управляемый через USB.
3. Макетная плата AVR-USB-MEGA16.
4. Цифровой переменный резистор MCP41XXX/42XXX с интерфейсом SPI.
5. 170709function-gen.zip.
6. How to Build Your Own Function Generator Using AD9833 site:allaboutcircuits.com.