Разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе прямого цифрового синтеза

1. < 2мА при 5В, 4МГц;

2. 20мкА (типичное значение) при 3В, 32 кГц;
3. < 1мкА (типичное значение) в режиме STANDBY.

 

Периферия:

• Timer0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным предварительным делителем
• Timer1: 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем, может вести счет во время спящего режима от внешнего генератора
• Timer2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода, предварительным и выходным делителем
• 2 модуля захват/сравнение/ШИМ:

1. Захват 16-ти разрядов, максимальное разрешение 12,5нс;

2. Сравнение 16-ти разрядов, максимальное разрешение 200нс;
3. ШИМ с максимальным разрешением 10 разрядов

• 10-битный многоканальный аналого-цифровой преобразователь

• Синхронный последовательный порт (SSP) с интерфейсами SPI (с Master-режимом) и I²C (с режимами Master/Slave)
• Универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART/SCI) с обнаружением 9-разрядного адреса
• Встроенный генератор опорного напряжения
• Параллельный 8-битный Slave-порт (PSP) со внешними сигналами управления RD, WR и CS (только в 40/44-выводных корпусах)

Программируемая схема  сброса при падении напряжения питания (BOR).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2 – Структурная схема микроконтроллера pic16f877

Таблица 3.2 Назначение выводов микроконтроллера PIC16F877

 

Обозначение вывода	№ выв. DIP	№ выв. PLCC	№ выв. QFP	Тип I/O/P	Тип буфера	Описание
OSC1/CLKIN	13	14	30	I	ST/CMOS	Вход генератора / вход внешнего тактового сигнала
OSC2/CLKOUT	14	15	31	O	—	Выход генератора. Подключается кварцевый или керамический резонатор. В RC режиме тактового генератора на выходе OSC2 присутствует тактовый сигнал CLKOUT, равный FOSC/4.
MCLR/VPP	1	2	18	I/P	ST	Вход сброса микроконтроллера или вход напряжения программирования. Сброс микроконтроллера происходит при низком логическом уровне сигнала на входе.
RA0/AN0	2	3	19	I/O	TTL	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTA. RA0 может быть настроен  как аналоговый канал 0
RA1/AN1	3	4	20	I/O	TTL	RA1 может быть настроен  как аналоговый канал 1
RA2/AN2/VREF-	4	5	21	I/O	TTL	RA2 может быть настроен  как аналоговый канал 2 или вход отрицательного опорного напряжения
RA3/AN3/VREF+	5	6	22	I/O	TTL	RA3 может быть настроен  как аналоговый канал 3 или вход положительного опорного напряжения
RA4/T0CK	6	7	23	I/O	ST	RA4 может использоваться в качестве входа внешнего тактового сигнала для TMR0. Выход с открытым стоком.
RA5/SS/AN4	7	8	24	I/O	TTL	RA1 может быть настроен  как аналоговый канал 1 или вход выбора микросхемы в режиме ведомого SPI
RB0/INT	33	36	8	I/O	TTL/ST	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTB. PORTB имеет программно подключаемые подтягивающие  резисторы на входах.
RB1	34	37	9	I/O	TTL	RB0 может использоваться  в качестве входа внешних прерываний.
RB2	35	38	10	I/O	TTL
RB3/PGM	36	39	11	I/O	TTL	RB3 может использоваться в качестве входа для режима низковольтного программирования.
RB4	37	41	14	I/O	TTL	Прерывания по изменению  уровня входного сигнала.
RB5	38	42	15	I/O	TTL	Прерывания по изменению  уровня входного сигнала.
RB6/PGC	39	43	16	I/O	TTL/ST	Прерывания по изменению уровня входного сигнала или вывод для режима внутрисхемной отладки ICD. Тактовый вход в режиме программирования.
RB7/PGD	40	44	17	I/O	TTL/ST	Прерывания по изменению  уровня входного сигнала или вывод для режима внутрисхемной отладки ICD. Вывод данных в режиме программирования.
RC0/T1OSO/T1CKI	15	16	32	I/O	ST	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTC. RC0 может использоваться  в качестве выхода генератора TMR1 или входа  внешнего тактового сигнала для TMR1.
RC1/T1OSI/CCP2	16	18	35	I/O	ST	RC1 может использоваться в качестве входа генератора для TMR1 или вывода модуля CCP2.
RC2/CCP1	17	19	36	I/O	ST	RC2 может использоваться  в качестве вывода модуля CCP1.
RC3/SCK/SCL	18	20	37	I/O	ST	RC3 может использоваться  в качестве входа/выхода тактового сигнала в режиме SPI и I2C.
RC4/SDI/SDA	23	25	42	I/O	ST	RC4 может использоваться  в качестве входа данных в режиме SPI или вход/выход данных в режиме I2C.
RC5/SDO	24	26	43	I/O	ST	RC5 может использоваться  в качестве выхода данных в режиме SPI.
RC6/TX/CK	25	27	44	I/O	ST	RC6 может использоваться в качестве вывода передатчика USART в асинхронном  режиме или вывода синхронизации USART в синхронном режиме.
RC7/RX/DT	26	29	1	I/O	ST	RC6 может использоваться  в качестве вывода приемника USART в асинхронном  режиме или вывода данных USART в синхронном режиме.
RD0/PSP0	19	21	38	I/O	ST/TTL	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTD или ведомый параллельный порт для подключения к шине микропроцессора
RD1/PSP1	20	22	39	I/O	ST/TTL
RD2/PSP2	21	23	39	I/O	ST/TTL
RD3/PSP3	22	24	41	I/O	ST/TTL
RD4/PSP4	27	30	2	I/O	ST/TTL
RD5/PSP5	28	31	3	I/O	ST/TTL
RD6/PSP6	29	32	4	I/O	ST/TTL
RD7/PSP7	30	33	5	I/O	ST/TTL
RE0/RD/AN5	8	9	25	I/O	ST/TTL	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTE. RE0 может использоваться  в качестве управляющего входа чтения PSP или аналогового канала 5
RE1/WR/AN6	9	10	26	I/O	ST/TTL	RE1 может использоваться  в качестве управляющего входа записи PSP или аналогового канала 6
RE2/CS/AN7	10	11	27	I/O	ST/TTL	RE2 может использоваться  в качестве управляющего входа выбора PSP или аналогового канала 7
VSS	12,31	13,34	6,29	P	—	Общий вывод для внутренней логики и портов ввода/вывода
VDD	11,32	12,35	7,28	P	—	Положительное напряжение питания для внутренней логики и  портов ввода/вывода
NC	—	1,17,28, 40	12,13, 33,34		—	Эти выводы внутри микросхемы не подключены.
Обозначения: I = вход, O = выход, I/O = вход/выход, P = питание, - = не используется, TTL = входной буфер ТТЛ, ST = вход с триггером Шмидта. Примечания: 1. Входной буфер с триггером Шмидта при использовании внешних прерываний. 2. Входной буфер с триггером Шмидта при работе в режиме последовательного программирования. 3. Входной буфер с триггером Шмидта при работе в режиме цифровых портов ввода/вывода. В режиме ведомого параллельного порта подключены входные буферы ТТЛ (для  совместимости с шиной микропроцессора). 4. Входной буфер с триггером Шмидта в режиме RC генератора и CMOS буфер в других режимах.

3.2 Описание программируемого генератора сигналов AD9833

ИМС AD9833 представляет собой маломощный программируемый генератор, способный моделировать сигнал синусоидальной, треугольной или прямоугольной формы. Частота сигнала и его фаза задаются программным способом через SPI интерфейс, что обеспечивает легкую настройку ИМС. Максимальная частота генерируемого сигнала 12,5 МГц. ИМС программируется через трехпроводной последовательный интерфейс SPI. Регистры задания частоты имеют разрядность 28 бит и, например, при частоте 25 МГц, может быть достигнуто разрешение 0,1 Гц; на 1 МГц AD9833 может быть настроен на разрешение 0,004 Гц. На рис. 3.3 приведена структурная схема ИМС AD9833.

Рисунок 3.3 – Структурная схема ИМС AD9833

Внутренняя схема AD9833 состоит из следующих главных  блоков:

- SIN ROM – ПЗУ с отсчетами синусоиды;

- 28-битный аккумулятор  фазы;

- DAC – 10-битный ЦАП.

Цоколевка:

Рисунок 3.4 – обозначение выводов ИМС AD9833

Характеристики ИМС AD9833:

• Цифровое программирование частоты и фазы
• Потребляемая мощность 12.65 мВт при напряжении 3 В
• Диапазон выходных частот от 0 МГц до 12.5 МГц
• Разрешение 28 бит (0.1 Гц при частоте опорного сигнала 25 МГц)
• Синусоидальные, треугольные и прямоугольные выходные колебания
• Напряжение питания от 2.3 В до 5.5 В
• Не требует применения внешних компонентов
• Трехпроводной интерфейс SPI
• Расширенный температурный диапазон: от –40°C до +105°C
• Опция пониженного энергопотребления
• 10-выводный корпус MSOP
• Сертифицирован для применения в автомобильной промышленности

Спецификации:

• Мастер fclk: 25 МГц
• Разрешение (бит): 10 бит
• Настройка Слово Ширина (бит): 28bit
• Интерфейс ввода / вывода: Последовательный
• REFCLK множитель: Нет
• Соответствие диапазона (V): 0.65V
• FS Iout (мА ном): 3 мА

Таблица 3.3 Назначение выводов ИМС AD9833

№	Обозначение Вывода	Назначение
1	COMP	Вывод смещения ЦАП. Этот вывод используется для разделения напряжение смещения ЦАП.
2	VDD	Положительное питание для аналоговых и цифровых интерфейсов. На плате 2,5 В регулятор также поставляется с VDD. VDD может иметь значение от 2,3 В до 5,5 В. 0,1 мкФ и 10 мкФ конденсатор развязки должны быть связаны между VDD и AGND.
3	CAP/2.5 V	Цифровая схема работает от источника питания 2,5 V. В этом 2.5 V порождается из VDD использованием бортового регулятора (при VDD превышает 2,7 V). Регулятор требует развязки конденсатор 100 нФ обычно, что связано с CAP/2.5 V к DGND. Если VDD равна или меньше 2,7 В, CAP/2.5 V должна быть непосредственно связана с VDD.
4	DGND	(Цифровая) земля.
5	MCLK	Цифровой вход часов. Частоты DDS выходные в виде двоичной дроби частоты MCLK. Точность выходной частоты и фазового шума определяется по этим часам.
6	SDATA	Последовательный ввод данных. 16-битный последовательный ввод данных слов применяется к этому входу.
7	SCLK	Последовательный ввод часов. Данные частоте в AD9833 на каждом падении SCLK.
8	FSYNC	Активный низкий входной  контроль. Это сигнал кадровой синхронизации  для ввода данных. Когда на FSYNC берется низкая внутренняя логика то это сообщает, что новое слово в настоящее время загружено в устройство.
9	AGND	(Аналоговая)земля
10	VOUT	Выходное напряжение. Аналоговый и цифровой выход AD9833 доступен в этом выводе. Внешнего резистора нагрузки не требуется, так как устройство имеет 200 Ω резистор на борту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ПОСТРОЕНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

 

4.1 Описание принципиальной схемы устройства

Схема электрическая  принципиальная приведена в приложении В, перечень элементов к ней – в приложении Е. Роль главного управляющего звена играет DD2 - микроконтроллер фирмы Microchip PIC16F877.

Рассмотрим подробнее  принцип работы данного устройства.

Частота сигнала и его фаза задаются программным способом через ICSP интерфейс на DD2, подключенный на порты MCLR, VDD, GND, RB7, RB6.

SB1-SB6 – это клавиатура для управления работой микроконтроллера PIC16F877. Кнопки SB1-SB6  подключены к DD2 на порты RB0-RB5 соответственно. При нажатии на кнопки SB1-SB6 DD2 получает команды, далее по портам RD4-RD7, подключенным к разрядам HL через маломощные  n-p-n транзисторы VT1-VT4, синхронизирует управление индикатором HL и, преобразовывая информацию, через порты RA0-RA5 и RE0-RE1 отправляет ее на вывода сегментов индикатора HL.

После, вычисляя значение кода частоты, микроконтроллер PIC16f877 формирует управляющий посыл в 16 бит на микросхему DA1 через буферную схему интерфейса SPI. В качестве буферной схемы использована микросхема 74HTC244. Она предназначена для буферизации шины данных и управления. Далее посыл проходит через SPI интерфейс в AD9833.

SPI - популярный интерфейс  для последовательного обмена  данными между микросхемами. Его наименование является аббревиатурой от 'Serial Peripheral Bus', что отражает его предназначение - шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу 'ведущий-подчиненный'. В качестве ведущего шины выступает микроконтроллер. Подключенные к ведущему шины внешние устройства образуют подчиненных шины. В их роли выступают различного рода микросхемы, в т.ч. запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, цифровые потенциометры, специализированные контроллеры и др.  В этом случае ИМС AD9833 является подчиненным.

Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода-вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI - это протокол обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал генерируется только ведущим шины и от этого сигнала полностью зависит работа подчиненного шины.

Ведущий шины, DD2, через буферную схему передает данные по линии SDO синхронно со сгенерированным им же сигналом SCK, а подчиненный, ИМС AD9833, захватывает переданные биты данных в SDATA и SCLK принятого сигнала синхронизации. Одновременно с этим подчиненный DA1 по линии FSYNC отправляет свою посылку данных в порт SDI микроконтроллера PIC16f877.

Далее схема генерирует сигнал нужной формы с заданной частотой.  Частота выходного сигнала определяется двумя параметрами: частотой тактового сигнала (в качестве тактового генератора применен кварцевый генератор G на 25 Мгц .) и двоичным числом, записанным в регистр частоты. Это двоичное число, записанное в регистр частоты, подается на вход аккумулятора фазы. Если используется ПЗУ с табличными значениями синуса, то аккумулятор фазы вычисляет адрес (соответствующий мгновенному значению фазы) и подает его на вход ПЗУ, при этом на выходе ПЗУ мы получаем текущее значение амплитуды в цифровом виде. Далее ЦАП преобразует это цифровое значение в соответствующее значение напряжения или тока. Для генерации синусоиды с фиксированной частотой постоянная величина (приращение фазы, определяемое двоичным числом, записанным в регистр частоты) прибавляется к значению, хранящемуся в аккумуляторе фазы, с каждым импульсом тактового сигнала. Если значение приращения велико, аккумулятор фазы будет быстро пробегать всю таблицу синуса, хранящуюся в ПЗУ, и частота сигнала при этом будет высока. Если значение приращения фазы мало, аккумулятору фазы понадобится больше шагов, чтобы пройти всю таблицу ПЗУ, и соответственно частота сигнала на выходе будет низкой. Сгенерированный сигнал через порт VOUT подается  на гнездо XS1.

Для развязки по цепям  питания использованы керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, соединенные  параллельно с танталовыми конденсаторами емкостью порядка 10 мкФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ УСТРОЙСТВА

 

5.1 Выбор среды разработки печатной платы

Современные системы разработки печатных плат включают в себя сложный комплекс программ, обеспечивающих так называемое" сквозное проектирование". Такой подход подразумевает разработку принципиальной cхемы, моделирование ее на разных уровнях (на уровне платы и на уровне кристалла) проектирование собственно платы (физический дизайн) и заканчивается, как правило, генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фото шаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля. Этап проектирования печатной платы является одним из самых трудоемких и важных во всей цепочке проектирования.

В данный момент рынок предлагает различные среды разработки печатных плат, например: P-Cad, Protel, OrCad, PowerPCB, Sprint-Layout  и т.д. Из всего многообразия я остановил свой выбор на  системе P-Cad 2006.

Система P-CAD предназначена для проектирования многослойных печатных плат (ПП) вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-СAD входят четыре основных модуля - P-CAD Schematic, P-CAD PCB, P-CAD Library Executive, P-CAD Autorouters.

Различные модули пакета P-CAD 2006 организуют сквозной цикл проектирования: от ввода принципиальной схемы до получения технологических управляющих файлов. Программа позволяет ввести все этапы проектирования печатных плат:

• ввести принципиальную схему,
• провести цифро-аналоговое моделирование проектируемого устройства,
• разработать топологию,
• провести анализ целостности сигналов,
• подготовить технологические файлы,
• подготовить конструкторскую документацию,
• передать информацию в системы 3D-проектирования (Autodesk Inventor Professional, SolidWorks, Pro/E, Компас и.т.п.)
• разработать собственную элементную базу.

Ввод проекта осуществляется в программе Schematic. Принципиальная схема может содержать неограниченное количество листов, которые сохраняются в одном файле и не требуют какой-либо "состыковочной" информации. При этом размеры страницы могут быть выбраны из стандартных или введены вручную.

Модуль P-CAD PCB может запускаться автономно и позволяет разместить элемент на выбранном монтажно-коммутационном поле и проводить ручную, полуавтоматическую и автоматическую трассировку проводников.

В модуль P-CAD Autorouters входят QuickRoute и Shape-Based Autorouter. Автотрассировщики вызываются из управляющей оболочки P-CAD РСВ, где и производится настройка стратегии трассировки.  QuickRoute относится к трассировщикам лабиринтного типа и предназначен для трассировки простейших ПП. Второй автоматический трассировщик PRO Route трассирует ПП с числом сигнальных слоев до 32. Трассировщик Shape-Based Autorouter - бессеточная программа автотрассировки ПП. Программа предназначена для автоматической разводки многослойных печатных плат с высокой плотностью размещения элементов. Эффективна при поверхностном монтаже корпусов элементов, выполненных в различных системах координат.

SPECCTRA - программа ручного, полуавтоматического и автоматического размещения компонентов и трассировки проводников. Трассирует ПП большой сложности с числом слоев до 256.

P-CAD Library Executive - менеджер библиотек. Интегрированные библиотеки P-CAD содержат как графическую информацию о символах и типовых корпусах компонентов, так и текстовую информацию. Программа имеет встроенные модули: Symbol Editor — для создания и редактирования символов компонентов и Pattern Editor — для создания и редактирования посадочного места и корпуса компонента. Упаковка вентилей компонента, ведение и контроль библиотек осуществляются модулем Library Executive. Модуль имеет средства просмотра библиотечных файлов, поиска компонентов, символов и корпусов компонентов по всем возможным атрибутам.