Эксплуатация

Генератор импульсов на микроконтроллере. Многофункциональный генератор на PIC16F870

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...

Этот проект основан на схеме функционального генератора, описанного на веб-сайте Mondo . Я только сделал очень незначительные изменения и исправил некоторые очевидные опечатки в схеме. Код переписан для синтаксиса Microchip .

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:

Режим \Форма		Triangle
Режим 1
Режим 2
Режим 3

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 ()

Список радиоэлементов

Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
Схема генератора.
Микроконтроллер	PIC16F870	1	В блокнот
Сдвиговый регистр	CD74HC164	1	В блокнот
Операционный усилитель	LF353	1	В блокнот
Мультиплексор/демультиплексор	CD4053B	1	В блокнот
Линейный регулятор	LM7805	1	В блокнот
Линейный регулятор	LM78L15	1	В блокнот
Линейный регулятор	LM79L15	1	В блокнот
Выпрямительный диод	1N4002	3	В блокнот
Конденсатор	22 пФ	2	В блокнот
Конденсатор	51 пФ	1	В блокнот
Конденсатор	100 пФ	1	В блокнот
Конденсатор	1000 пФ	1	В блокнот
Конденсатор	0.1 мкФ	1	В блокнот
	1 мкФ	2	В блокнот
Электролитический конденсатор	4.7 мкФ	1	В блокнот
Электролитический конденсатор	100 мкФ	2	В блокнот
Электролитический конденсатор	500 мкФ	1	В блокнот
Резистор	470 Ом	6	В блокнот
Переменный резистор	1 кОм	1	В блокнот
Резистор	2.7 кОм	1	В блокнот
Резистор	4.7 кОм	1	В блокнот
Резистор	10 кОм	4	В блокнот
Резистор	15 кОм	1	В блокнот
Резистор	22 кОм	1

Предлагаемое устройство представляет собой генератор прямоугольных импульсов управляемый через последовательный порт с компьютера. Оно было сделано для решения конкретной задачи буквально за день и возможно содержит ошибки или недоделки, я не могу гарантировать что продавая его вы заработаете кучу денег. Но все основные функции были проверены.
Максимальная частота выдаваемая генератором немного больше 13 кГц, минимальная меньше 0,01 Гц (для частоты кварцевого генератора 4 МГц).

Схема.

width=710>
Рисунок не помещается на странице и поэтому сжат!
Для того, чтобы просмотреть его полностью, щелкните .

Схема достаточно простая. Она собрана на основе микроконтроллера PIC16C63A, сигнал снимается с двух его выводов, их состояние всегда разное. Без нагрузки уровень единицы отличается от напряжения питания меньше чем на 0,1 вольт, уровень нуля тоже очень низкий. Выводы рассчитаны на ток до 30 мА. Микросхема МАХ232 используется для преобразования уровней интерфейса RS232 в уровни TTL. Для питания устройства нужен 5 вольтовый блок питания, на рисунке он не показан.

Программа.

Для установки параметров сигнала выдаваемого микроконтроллером необходимо использовать специальную программу. Программа написана для ОС Windows, ниже приведен вид ее окна.

Элементы управления предназначены для задания частоты выходного сигнала, отношения длин положительного и отрицательного полупериодов. Есть возможность ограничить количество выдаваемых импульсов (1...2 23 -1). Так как программа в микроконтроллере не позволяет выводить любую частоту, после нажатия на кнопку "Send" будет рассчитано ближайшее возможное значение частоты и оно запишется в поле частота вместо введенного с клавиатуры. Поля "Длительность 1" и "Длительность 0" содержат длительности сигнала в условных единицах с которыми работает программа в PICе, это целые числа больше нуля и меньше 2 24 . Предусмотрены настройки для выбора номера последовательного порта и частоты используемого кварцевого резонатора.

Данное устройство нажатием одной кнопки генерирует фиксированное число импульсов. Можно задать два различных набора, по умолчанию программа генерирует 1000 и 10000 импульсов.

Описание генератора точных импульсов на микроконтроллере

Схема очень простая. Генератор построен на базе микроконтроллера PIC12F629, который тактируется от внешнего RC генератора. Выходная частота может быть установлена потенциометром P1 в интервале примерно от 2 до170 Гц. Так же частоту можно изменить путем подбора емкости конденсатора С1.

Импульсы генерируются с периодом 200 машинных циклов микроконтроллера, все сигналы имеют одинаковую длину. Выходная частота, таким образом, в 800 раз меньше, чем частота генератора. Перед программированием микроконтроллера необходимо запомнить заводскую калибровочную константу по адресу 3FFh, так как в процессе программирования она может быть утеряна. Хотя на данный момент существует метод по восстановлению калибровочной константы микроконтроллеров PIC12f629 и PIC12f675

Изменяя постоянные величины в программе микроконтроллера можно задать любое количество импульсов вплоть до 65000. Если вам нужно создать различное число импульсов, просто измените константы в программе. Как это сделать видно из рисунка ниже.

Измерительные генераторы, в которых требуемое значение частоты устанавливают с помощью клавиатуры, читателям журнала известны (см., например, статью Пискаева А. "Частотомер-генератор-часы" в "Радио", 2002, № 7, с. 31, 32). Как правило, эти приборы выполнены на микроконтроллере, диапазон генерируемых частот ограничен несколькими мегагерцами, а получение точного значения частоты невозможно. Описываемый в статье генератор тоже содержит микроконтроллер, но использован он только для управления специализированной микросхемой - синтезатором частоты AD9850. Применение этой микросхемы позволило расширить диапазон генерируемых частот от долей герца до 60 МГц, в пределах которого можно получить любое значение частоты с точностью 1 Гц.

Он опрашивает клавиатуру SB1-SB16, выводит информацию на ЖК индикатор HG1, вычисляет значение кода частоты и передает его по последовательному интерфейсу в синтезатор DD2. Звукоизлучатель НА1 служит для подтверждения нажатия кнопок клавиатуры. Микросхема AD9850 (DD2) использована в стандартном включении. На выходе ее ЦАПа включен фильтр Z1. После фильтра сигнал синусоидальной формы подается на гнездо XW2 и на вход компаратора микросхемы DD2 (вывод 16). С выхода последнего сигнал прямоугольной формы поступает на гнездо XW1. В качестве тактового генератора для DDS применен кварцевый генератор G1. Подстроечным резистором R7 регулируют контрастность изображения на индикаторе HG1.
После сброса микроконтроллера производится настройка ЖК индикатора HG1 на режим обмена по шине 4 бита, что необходимо для уменьшения числа линий ввода/вывода, требуемых для записи информации.

Управляют генератором с помощью клавиатуры, состоящей из кнопок SB1-SB16. Поскольку все линии порта В, являющиеся входными, подключены к источнику питания через резисторы, необходимости во внешних резисторах, "подтягивающих" порты RB4 -RB7 к линии питания, нет. Резисторы R3-R6 защищают выходы микроконтроллера от перегрузки при случайном нажатии нескольких кнопок одновременно.
Требуемую частоту устанавливают с клавиатуры. Для этого, нажимая на кнопки с соответствующими цифрами, вводят нужное значение (в герцах) и нажимают кнопку "*". Если частота не превышает максимально допустимой, на индикаторе на короткое время появляется сообщение "ОК" и генератор переходит в рабочий режим, а если превышает, - сообщение "Error". В этом случае нужно нажать кнопку "С" ("Сброс") и заново набрать правильное значение. Точно так же поступают и при ошибке в процессе ввода частоты. Двукратное нажатие этой кнопки переводит прибор в рабочий режим с установленным ранее значением частоты.
В рабочем режиме в крайнем правом знакоместе индикатора мигает символ звездочки. Если текущее значение частоты введено с внешнего блока управления (например, с компьютера), то чтобы вернуться к частоте, отображаемой на индикаторе, достаточно нажать кнопку "*".
Кнопки "U" (Up - вверх) и "D" (Down - вниз) позволяют ступенчато изменять выходную частоту генератора, соответственно увеличивая или уменьшая значение десятичного разряда на единицу. Требуемый десятичный разряд выбирают, перемещая курсор кнопками "L" (Left - влево) и "R" (Right - вправо).
При нажатии кнопки "*" значение частоты и позиция курсора сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера, благодаря чему при следующем включении питания прерванный режим работы автоматически восстанавливается.

Поскольку вычислительные способности микроконтроллера ограничены, значение выходной частоты выставляется с точностью около 1 Гц, что достаточно для большинства случаев. Чтобы в полной мере реализовать возможности синтезатора, им можно управлять с помощью ПК. Для этого генератор необходимо доработать, дополнив его узлом, схема которого показана на рис. 3. ПК (или иное управляющее устройство) подключают к розетке
XS1. При низком логическом уровне на адресных входах А мультиплексоры микросхемы DD3 подключают входы управления синтезатором к микроконтроллеру DD1, а при высоком - к внешнему устройству. Сигналы управления поступают через контакт "ENABLE" розетки XS1. Резистор R19 обеспечивает низкий логический уровень на адресных входах DD3 при неподключенном устройстве управления.
Генератор собран и испытан на макетной плате. Если не удастся приобрести плату под корпус SSOP для микросхемы DD2, можно использовать для подключения ее выводов к соответствующим контактным площадкам короткие (длиной 10 15 мм) отрезки луженого провода диаметром 0,2 мм. Выводы 1,2,5,10,19, 24, 26, 27, 28 соединяют с общим проводом одним отрезком большей длины.
ЖК индикатор HG1 - 1ТМ1601 (16-символьный однострочный с встроенным контроллером). НА1 - любой пьезоэлектрический излучатель звука с встроенным генератором, рассчитанный на напряжение 5 В. В качестве тактового генератора (G1) можно использовать микросборку кварцевого генератора на частоту до 125 МГц, допустимо применение подобного узла с кварцевой стабилизацией и на дискретных элементах.
Управляющая программа микроконтроллера зависит от частоты тактового генератора.
При программировании микроконтроллера в конфигурационном слове устанавливают следующие значения битов: тип генератора (OSC) - RC. сторожевой таймер (WDT) - выключен, задержка после включения питания (PWRTE) - разрешена.