Генератор частоты на pic схема. Многорежимный управляемыйгенератор прямоугольных импульсов (частоты)на микроконтроллере pic12f675

В первой части статьи рассматривается схемотехническое решение, устройство и конструкция DDS генератора (генератор с прямым цифровым синтезом формы сигнала) на микроконтроллере ATmega16 . В приборе, кроме синтеза сигнала различной формы и частоты, реализуется возможность регулировки амплитуды и смещения выходного сигнала.

Основные характеристики прибора:

• простое схемотехническое решение, доступные компоненты;
• односторонняя печатная плата;
• сетевой источник питания;
• специализированный выход частоты от 1 МГц до 8 МГц;
• DDS выход с регулировкой амплитуды и смещения;
• форма выходного DDS сигнала: синусоида, прямоугольные импульсы, пилообразные импульсы, треугольные импульсы, ЭКГ, шум;
• для отображения текущих параметров используется двухстрочный ЖК дисплей;
• пятикнопочная клавиатура;
• шаг перестройки частоты: 1, 10, 10, 1000, 10000 Гц;
• восстановление последней конфигурации при включении;
• регулировка смещения: -5 В … +5 В;
• регулировка амплитуды: 0 … 10 В;
• регулировка частоты: 0 … 65534 Гц.

За основу прибора, а точнее алгоритм работы микроконтроллера, была взята разработка DDS генератора Jesper Hansen . Предложенный алгоритм был немного переработан и адаптирован под компилятор WinAVR-GCC

Сигнальный генератор имеет два выхода: выход DDS сигнала и выход высокочастотного сигнала (1 - 8 МГц) прямоугольной формы, который может использоваться для «оживления» микроконтроллеров с неправильными установками Fuse-битов или для других целей.

Высокочастотный сигнал поступает непосредственно с микроконтроллера, с вывода OC1A (PD5). DDS сигнал формируется микроконтроллером с использованием цепочки резисторов R2R (ЦАП), регулировка смещения и амплитуды возможна благодаря использованию низкопотребляющего операционного усилителя LM358N .

Блок-схема DDS генератора

Как видно, для питания устройства необходимо три напряжения: +5 В, +12 В, -12 В. Напряжения +12 В и -12 В используются для аналоговой части устройства на операционном усилителе для регулировки смещения и амплитуды.

Принципиальная схема источника питания изображена на рисунке ниже.

В источнике питания используются стабилизаторы напряжения LM7812 , LM7805 , LM7912 (стабилизатор отрицательного напряжения -12 В).

Внешний вид источника питания для генератора

Возможно использование компьютерного блока питания форм-фактора ATX, для этого необходимо распаять переходник в соответствии со схемой:

Принципиальная схема прибора

Для сборки прибора потребуется:

• микроконтроллер ATmega16;
• кварцевый резонатор 16 МГц;
• стандартный двухстрочный ЖК индикатор на базе контроллера HD44780 ;
• R2R ЦАП выполненный в виде цепочки резисторов;
• сдвоенный операционный усилитель LM358;
• два потенциометра;
• пять кнопок;
• несколько коннекторов и разъемов.

Рисунок печатной платы

Примененные компоненты, за исключением микроконтроллера и разъемов, в корпусах для поверхностного монтажа (smd).

Прибор смонтированный в корпусе

Тестовый запуск

Загрузки

Принципиальная схема и печатная плата (формат Eagle) -
Проект для симуляции в среде Proteus -

• Кто пробовал сваять?
• Смотрите ветку Функцинальный генератор, начиная с 4 поста идет обсуждение этой конструкции, и пользователи QED и куко собрали этот генератор. И в протеусе был проверен - работает.
• скажите кто-нибудь, пожалуйста, перечень компонентов для блока питания используемые в первом(http://www..html?di=69926) варианте генератора. в частности интересует какой модель трансформатора и выпрямитель использовал автор. или хотя бы полные аналоги. из просьбы ясно, что я в электротехнике не силён, но думаю собрать осилю без углубления в дебри предмета. Просто форс-мажор. С конденсаторами и 3-мя стабилизаторами всё понятно. Собственно вот эта схема прикреплена.
• Трансформатор любой маломощный с двумя вторичными обмотками с выходным напряжением 15 В (переменка). В частности автор использовал трансформатор TS6/47 (2х15 В/2х0.25 А) Диодный мостик тоже любой маломощный сгодится. На фотке в статье виден и трансформатор и диодный мостик.
• а подскажите пожалуйста, какая связь должна быть между вторичным выходом трансформатора и выпрямителем, учитывая схему БП автора?:confused: ну имею ввиду, если на выходе трансформатора 15в (вроде нашел вот такой -ТПС-7.2(2х15В)сим.(7.2Вт)15Вх2_7.2Вт_сим.(0.24А)х2 - 160,00руб) , то какой выпрямитель к нему? и на случай, если 12в на выходе трансформатора?
• Не совсем понял вопрос, честно говоря... Трансформатор указанный вами вроде подходит... Мостик вполне, думаю подойдет к примеру DB106
• Vadzz, спасибо огромное за подсказку. если DB106 подходит, значит и имеющий аналогичные параметры W08 подойдет. это так? просто, именно его имеется возможность(желание) купить. и ещё не смог разобраться с номиналами конденсаторов на схеме автора, подскажите, пожалуйста. они в все в nF(нанофарад-нФ)?
• W08 - вполне подойдет. Конденсаторы в схеме блока питания или в схеме самого генератора? Если блок питания - то там все кондеры в микрофарадах (2000 мкф, 100 мкф, 0.1 мкф). В схеме генератора - по-моему только два кондера в обвязке кварца 18 пикофарад.
• Vadzz, безгранично благодарю. вроде все вопросы сняты. Со схемой самого генератора вроде немного проще(есть файл EAGLE). Буду воплощать в реальность. Если всё будет путём, то попробую выложить печатную плату (формат Eagle) Блока питания.
• Обязательно должно все получиться у вас... Рисунок печатной платы выкладывайте, кому-то обязательно пригодится...
• Я спаял и пользуюсь. Честно говоря по ходу возникли несколько проблем: 1) недостаток - невозможна перестройка частоты при включенном генераторе. Т.е. если нужно менять частоту, то сначала выключаем генерацию сигнала, потом перестраиваем частоту, потом снова включаем генерацию сигнала. Это зачастую неудобно, когда нужно следить за реакцией налаживаемого устройства на плавное изменение частоты. Например для управления оборотами шаговика перестраивать частоту нужно только плавно. 2) недостаток - дважды слетал EEPROM. Автор предусмотрел запоминание установленных режимов в EEPROM, но это совсем не обязательно. Уж лучше бы ничего не запоминал и не использовал его совсем. Или в крайнем случае при повреждении EEPROM грузил установки "по умолчанию" из FLASH. Зато был бы надежнее. В целом в остальном работой я доволен. Просьба к тем, кто смыслит в написании программ для AVR исправить эти два недостатка.
• По поводу перестройки частоты "налету" тут скорее всего нужно использовть DMA, чего в подобных микроконтроллерах нет. Может я ошибаюсь... надо глянуть исходники генератора... Насчет "слетает EEPROM" - интересно конечно причину узнать, но два раза я думаю еще не показатель.
• Готовые генераторы на ad9850(51) есть здесь: http://radiokit.tiu.ru/product_list/group_802113
• Готовые генераторы на AD9850 это хорошие девайсы, но другое дело когда собираешь и налаживаешь сам...
• Разрушение данных в EEPROM приводит к полной неработоспособности генератора. Очень неприятная проблема в самый неподходящий момент. Я обычно внутри корпуса генератора держу запасной запрограммированый контроллер. Но это же не выход из положения. Почему не предусмотреть сохранение только текущих данных, которые не повлияют в целом на работоспособность, если будет разрушение EEPROM? При потере данных из Flash грузим установки по умолчанию. Все остальное, что касается работоспособности программы хранится во Flash. Так надежнее будет работать. ПРЕДЛАГАЮ разместить список ссылок с другими проектами генераторов на AVR.
• Тут несколько людей собирали этот генератор (с их слов конечно же), они ничего не говорили по этому поводу, есть ли такая проблема у них или нет...
• Подскажите,в данном генераторе есть возможность менять только частоту или скважность тоже?
• В характеристика генератора указано, что можно менять частоту, к сожалению возможности менять скованность нет...
• парни подскажите по поводу RESET джампера -когда его включить и когда снять..... благодарю
• Нормальное состояние джампера - разомкнут.И это скорее всего не джампер, а имелось ввиду разъем для возможности подключения кнопки, с помощью которой можно будет сбрасывать мк, если вдруг чего...

Характеристики генератора:
Частотный диапазон: 11 Гц - 60 кГц
Цифровая регулировка частоты с 3 различными шагами
Форма сигнала: синус, треугольный, прямоугольный, пульс, пакетный, sweep, шум
Выходной диапазон напряжения: ± 15В для синуса и треугольника, 0-5В для других
Синхронизация: выход для импульсного сигнала.

Устройство питается от 12-вольтового трансформатора, который обеспечивает достаточно высокое (более 18 В) постоянное напряжение, необходимое для нормальной работы стабилизаторов 78L15 и 79L15. Питание в ±15 В необходимо для того, чтобы ОУ LF353 на выходе давал полный спектр сигналов при 1кОм нагрузки. При использовании питания ±12 В этот резистор должен быть не менее 3 кОм.

Датчик вращения (поворотный энкодер) который я использовал – ALPS SRBM1L0800 в виде двух переключателей в круге на схеме. Автор, вероятно, использовал другой, так что некоторые изменения в коде программы контроллера были необходимы. Мой датчик имеет две группы контактов: ВЫКЛ и ВКЛ (когда ротор перемещается в соответствующем направлении). Таким образом, изменение прерывания PORTB должны быть созданы, если одна из пар контактов коротится. Это достигается за счет подключения обоих групп контактов на контакты PIC16 (RB4 - RB7), которые проверяются программой на изменение состояния. К счастью, RB4 не был использован в оригинальном дизайне, так что я просто перенаправлен RB3 на RB4. Другая модификация вызвана использованием поворотного энкодера, потому я немного изменил прерывания микропрограммы. Я заставил регулятор, сохранять состояние в течении 100 последовательных измерений вместо 10 в оригинальном дизайне. Заметим, что некоторые ножки PIC используются для перенаправления +5 В для упрощения компоновки печатной платы, поэтому они настроены в качестве входов портов.

Печатная плата предусматривает три резисторных сборки. Одна – R/2R – для ЦАП из Bourns 4310R серии. Сборка ЦАП резисторов может быть построена и на дискретных резисторах по схеме выше. Следует использовать резисторы с допуском до ± 1% или лучше. Светодиодные ограничительные резисторы серии Bourns 4306R. Яркость светодиодов может быть увеличена изменением сопротивления ограничительных резисторов до 220 – 330 Ом.

Генератор собран в 179x154x36 мм пластиковом корпусе с алюминиевыми передней и задней панелями. Уровень выходного сигнала регулируется переменным резистором Alfa 1902F серии. Все другие компоненты устанавливаются на передней и задней панелях (кнопки, разъемы, светодиодные сборки, разъем питания). Платы крепятся к корпусу болтами в 6мм с пластиковыми прокладками.

Генератор производит 9 различных форм сигналов и работает в трех режимах, которые выбираются с помощью кнопки "Выбрать (Select)" и их индикация выводится на трех верхних (по схеме) светодиодах. Датчик вращения корректирует параметры сигнала в соответствии со следующей таблицей:

Сразу после включения генератор переходит в режим 1 и генерирует синус. Тем не менее, начальная частота довольно низкая и по крайней мере одного щелчка регулятора хватит, чтобы увеличить ее.

P.S. От себя добавлю: при повторении устройства с авторской печатной платой прибор отказался заводиться (возможно на печатной плате есть ошибка), а при монтаже на макетной плате – генератор начал работать сразу.

Ниже вы можете скачать исходники asm, прошивку и файлы печатных плат (Eagle)

Скачать архив:
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера

Когда-то в [Л.1] был описан управляемый генератор прямоугольных колебаний TTL-уровня на микроконтроллере ATTiny2313. Он мог вырабатывать 31 фиксированную частоту (от 0,1 Hz до 4 MHz), имел очень простую схему и управлялся подачей двоичного кода на управляющие входы. В зависимости от логического уровня на пяти управляющих разрядах, генератор вырабатывал одну из предустановленных в его программе частот, номер которой задавался подключением этих управляющих входов к "земле" или к шине питания. Скорее всего, данная схема создавалась не как самостоятельное устройство, а как составная часть, модуль для использования в других разработках (например, в качестве задающего генератора в частотомерах, часах, елочных гирляндах и т.п.) - отсюда, видимо, и не совсем удобный способ управления - должно быть, автор схемы предположил, что частоту установят один раз, на этапе проектирования готового устройства, в состав которого будет входить его схема.

Меня же данная схема заинтересовала в качестве простенького лабораторного генератора. Конечно же, это не альтернатива серьезным приборам промышленного изготовления, но кое-где и такой "микроконтроллерный мультивибратор" пригодиться может (особенно учитывая его простоту, точность и дешевизну) - к примеру, он отлично подойдет для калибровки частотомеров и в аналогичных случаях, когда надо отъюстировать какую-нибудь шкалу; его можно использовать во время экспериментов с цифровыми схемами или выходными каскадами импульсных БП; для проверки трансформаторов и катушек зажигания (подключив их к мощному источнику тока через соответствующий транзисторный ключ), различных фильтров и т.п. Да и убеждаться в работоспособности только что собранного УНЧ безопаснее, подавая на его вход сигнал от такого вот самодельного генератора, а не с любимого MP-3 плеера или "планшета" - в случае ошибок в монтаже (например, если на вход УНЧ просочится напряжение питания), в худшем случае будет разрушен копеечный выходной транзистор, а не дорогая "игрушка".

Но описанная схема имела ряд недостатков, затрудняющих ее использование в качестве лабораторного прибора: во-первых, это уже упомянутое неудобство управления (кнопки в данном случае оказались бы уместнее); во-вторых - отсутствие какой-либо индикации выбранного режима; в-третьих - отсутствие среди выходных частот сетевой (50 Hz), которая бывает нужна при работе с трансформаторами или сетевыми фильтрами; и в-четвертых - нерегулируемый уровень выходного напряжения (что бывает нужно при испытаниях тех же УНЧ). Поэтому, используя приведенную в [Л.1] схему как "техническое задание", я разработал новое устройство и "прошивку" к нему, отвечающие приведенным выше требованиям. Получившаяся схема представлена на рис.1 .

Как и в оригинале, это генератор, вырабатывающий прямоугольные колебания стабильной частоты с периодом 1:1 (т.е., меандр с 50%-заполнением), но количество генерируемых частот увеличено до 42. Значения большинства вырабатываемых частот отличаются от тех, что были в [Л.1]; вдобавок уменьшено количество частот менее 1 Hz, необходимость в которых возникает довольно редко. Список всех частот, генерируемых прибором, приведен в табл.1 (в конце статьи).

Основой схемы является распространенный микроконтроллер ATTiny2313, тактовая частота которого стабилизирована кварцем на 10 MHz, что обеспечивает минимальную погрешность выходного сигнала. Выходные импульсы формируются за счет деления тактовой частоты МК при помощи 16-разрядного внутреннего таймера-счетчика T1, работающего в режиме "сброс при совпадении", они аппаратно выводятся на контакт 15 микросхемы. Внутренний 8-разрядный таймер-счетчик T0, также работающий в режиме "сброс при совпадении", формирует интервалы переключения разрядов индикатора HG1, реализуя тем самым динамическую индикацию. Выходами динамической индикации являются линии PB0 и PB1 МК, они усиленны транзисторными ключами на VT1 и VT2.

Сформированный выходной сигнал с вывода 15 МК подается на усилитель тока, который собран на транзисторе VT3, включенном по схеме эмиттерного повторителя. Применение усилительного каскада позволило развязать выход МК от нагрузки и защитить его от неожиданностей (например, от КЗ или от подачи напряжения на выход устройства). Переменным резистором R12 можно регулировать уровень выходного сигнала - от нуля до практически напряжения питания. Резистор R13 ограничивает ток через транзистор на безопасном уровне (ок. 125 mA), предохраняя последний от выхода из строя при КЗ в нагрузке. Резистор R14 "подтягивает" выход к потенциалу "земли" - это необходимо, в первую очередь, для работы с цифровой логикой: известно, что отсутствие какого либо напряжения на своем входе (а при лог.0 на выводе 15 МК транзистор VT3 закрыт, и напряжение на его эмиттере отсутствует) большинство цифровых микросхем интерпретируют как лог.1. Резистор R14 "подтягивает" выход устройства к "земле" в те моменты, когда VT3 закрыт, что уверенно распознается подключенными к этому выходу цифровыми микросхемами как лог.0. Устройство имеет возможность отключать выходной сигнал кнопкой S1. В таком состоянии импульсы на выводе 15 отсутствуют, транзистор VT3 закрыт, на выходе устройства постоянно присутствует лог.0. Повторное нажатие S1 снова включает выходной сигнал. Светодиод HL1 является индикатором наличия выходных импульсов.

Устройство питается от стабилизированного источника питания напряжением 3,5-5 V. Если необходимо запитать прибор от источника с напряжением, превышающим 5 V (например, от "Кроны" или БП от игровой приставки), то в схему необходимо ввести стабилизатор с соответствующим выходным напряжением - например, интегральный, на микросхеме типа 7805, или параметрический, на стабилитроне и транзисторе. Диод VD1 защищает схему от случайной переполюсовки питания - он может быть любым, на ток не менее 150 mA (лично я для этого использую "раритетные" Д226 или Д7 из старых запасов - надо же их куда-то девать:)). Диод можно и не ставить, если конструкция разъема питания исключает переполюсовку (или если вы уверенны, что не ошибетесь при подключении питания). При желании можно также добавить и выключатель питания.

Алгоритм работы с устройством следующий: при включении питания импульсы на выводе 15 МК отсутствуют, светодиод HL1 не горит, на табло HG1 отображается номер выбранного режима. Для того чтобы на выходе прибора появились импульсы, необходимо нажать на кнопку S1, после чего загорится HL1, сигнализируя о появлении импульсов на выводе 15 МК. Повторное нажатие на S1 снова отключит выходной сигнал (т.о. S1 работает по принципу триггера). Переключать режимы работы устройства можно как при включенном, так и при выключенном кнопкой S1 выходном сигнале. Кнопка S2 увеличивает, а S3 уменьшает номер режима. Режимы переключаются по кругу - после режима №42 (5 MHz) следует режим OF (отсутствие выходного сигнала); еще одно нажатие на S2 включит режим №1 (0,5 Hz). Кнопка S3 ведет себя аналогично, только переключает в обратную сторону (№1-OF-№42). Значение выбранного режима запоминается в энергонезависимой памяти (EEPROM), поэтому при следующем включении прибора активным будет тот режим, в котором прибор работал перед выключением питания. Состояние выхода не запоминается - при каждом включении питания выходной сигнал всегда отсутствует - это сделано для защиты схемы, которая будет подключаться к генератору, от всякого рода случайностей: сначала нужно установить необходимый режим и минимальное выходное напряжение, а лишь затем включать выходной сигнал кнопкой S1.

Прошивка для МК была написана на чистом ассемблере (при помощи бесплатно распространяемой среды AVR Studio-4 от фирмы-производителя данного чипа), благодаря чему занимает в его флэш-памяти всего 602 байта. Установка fuse-ячеек в программе PonyProg приведена на рис.2 . (Внимание! Если используется последовательное программирование, то не трогайте биты SPIEN и RSTDISBL - они должны быть такими же, как и у нового MK - в противном случае дальнейшее перепрограммирование МК будет недоступным! Просто, перед программированием считайте fuse -ячейки "свежего" МК (Security and Configuration Bits -> Read ), и при записи новых значений оставьте биты SPIEN и RSTDISBL такими, какими они были прочитаны.)

Резисторы, используемые в устройстве - малогабаритные, мощностью 0,125 Вт (кроме R13 - он на 0,25 Вт); их сопротивление может отличаться от указанного в довольно широких пределах. Все транзисторы устройства работают в ключевом режиме, поэтому могут быть любыми маломощными, структуры NPN - как отечественными, так и зарубежными. Важно лишь, чтобы VT3 мог уверенно работать на максимальной выходной частоте прибора (5 MHz). В качестве HG1 можно использовать любой сдвоенный семисегментный индикатор для динамической индикации с общими анодами. Если нет сдвоенного, то HG1 вполне можно собрать и на двух одинарных индикаторах, вплоть до "древних" АЛСххх - главное, чтобы общим выводом для всех сегментов был анод. Светодиод HL1 - любой, который не жалко:). Все кнопки - подпружиненные, без фиксации. Выходной разъем - типа "Азия".

Внешний вид генератора, подключенного к осциллографу, показан на рис.3 (слева - блок питания, он на 9В (от приставки типа Dendy), но в его корпус был установлен интегральный стабилизатор типа 7805 - в итоге, на выходе 5В), а так же, на рис.4 , осциллограмма выходного сигнала, снятая при помощи осциллографа С1-19Б - на рис.5 . "Внутренности" прибора не фотографировал, т.к. собрал его довольно давно и посадил крышку на клей, а разбирать (т.е. ломать) корпус как-то неохота... В качестве корпуса для данного генератора была использована разветвительная коробка для открытой электропроводки, но возможны и другие варианты. Для удобства работы таблицу режимов желательно распечатать и приклеить двухсторонним скотчем к корпусу прибора (у меня она - с обратной стороны, на фото не видна). Микроконтроллер необходимо установить на панельке, чтобы его можно было легко перенести в программатор для записи "прошивки" (разъемов для внутрисхемного программирования ISP я обычно не делаю - перенос микросхемы в панельку программатора лично мне не доставляет никаких неудобств). Тип монтажа может быть любой (вплоть до SMD); я использовал классический - печатный, но рисунок платы не привожу, т.к. она получилась довольно-таки "кривой" (практически, повторяет принципиальную схему); хороший вариант - собрать все на "макетке" с дырочками (размер ~80x80 мм).

Литература:

1. Горчук Н.В. - Генератор с цифровым управлением, ж."Радиоконструктор", 12-2009, стр.18;

Таблица 1:

СПИСОК РЕЖИМОВ ГЕНЕРАТОРА
	Частота, Гц		Частота, Гц		Частота, Гц		Частота, Гц

Этот проект - качественный и универсальный функциональный генератор, который несмотря на некоторую сложность схемы, по крайней мере в сравнении с более простыми , обладает очень широким функционалом, что оправдывает затраты на его сборку. Он способен выдавать 9 различных форм сигналов, а также работать с синхронизацией импульсов.

Принципиальная схема генератора на МК

Параметры устройства

• Частотный диапазон: 10 Гц - 60 кГц
• Цифровая регулировка частоты с 3 различными шагами
• Формы сигнала: Sine, Triangle, Square, Saw, H-pulse, L-pulse, Burst, Sweep, Noise
• Выходной диапазон: 15 В для синуса и треугольника, 0-5 В для других режимов
• Имеется выход для синхронизации импульсов

Питание прибора осуществляется от 12 вольт переменки, что обеспечивает достаточно высокое (свыше 18 В) напряжение постоянного тока, необходимое для нормальной эксплуатации 78L15 и 79L15, формирующих двухполярку по 15 В. Это делается для того, чтобы микросхема LF353 могла вывести полный диапазон сигналов на нагрузке 1 кОм.

Регулятор уровня использован ALPS SRBM1L0800. В схеме следует использовать резисторы с погрешностью ±1% допуска или лучше. Ограничители тока светодиодов - резисторы 4306R серии. Яркость может быть увеличена в зависимости от предпочтений исполнителя. Генератор собран в пластиковом корпусе 178x154x36 мм с алюминиевой передней и задней панелями.

Многие контактные компоненты монтируются на передней и задней панелях (кнопки, ручки, разъемы RCA, светодиодные сборки, разъем питания). Печатные платы крепятся к корпусу болтами с пластиковыми прокладками. Все остальные элементы генератора смонтированы на печатных платах - блок питания отдельно. Левая кнопка по середине для изменения режима, правая - для выбора частоты режима.

Генератор вырабатывает различные сигналы и работает в трех режимах, которые выбираются с помощью клавиши "Select" и указываются тремя верхними (на схеме) светодиодами. Поворотный регулятор изменяет параметры сигнала в соответствии со следующей таблицей:

Сразу после настройки в режиме 1 идёт генерация синуса. Однако, начальная частота довольно низкая и по крайней мере один щелчок энкодера необходим, чтобы увеличить его. На плате есть контакт подключения прибора для программирования, что позволяет оперативно изменять функциональность генератора сигналов, если необходимо. Все файлы проекта - прошивки PIC16F870, рисунки плат, находятся