Experiment „Digitaler Oszillator“
Kurzfassung.
Es werden zwei Typen von digitalen Oszillatoren vorgestellt:
1. DDS = Digital Direct Synthesis
2. Programmierbarer Clock
An Beispielen werden die Funktion und die
Programmierung der speziellen Integrierten Schaltungen
gezeigt.
1
Experiment "Digitaler Oszillator"
Einleitung.
In den letzten 10 Jahren hat sich die Schaltungstechnik der
Transceiver verändert, So findet man in vielen TRX statt
eines analogen VFOs immer öfter einen digitalen
Oszillator.
Hier werden zwei Typen von digitalen Oszillatoren
vorgestellt:
● DDS = Digital Direct Synthesis
● Programmierbarer Clock
2
Experiment "Digitaler Oszillator"
Der Standard-VFO ist natürlich allen bekannt - auch aus
der Amateurfunklizenz-Vorbereitung. Er ist relativ
einfach und preiswert.
Er hat jedoch auch Nachteile.
● Frequenz-Stabilität ist eine Herausforderung.
Mögliche Stabilisierungsmaßnahmen:
niedrige Frequenz verwenden, DAFC, Huff & Puff,
PLL
● Der Frequenzbereich ist eingeschränkt.
Erweiterung des Frequenzbereichs kann durch
Premixer, PLL etc. erreicht werden.
● Evtl. ist ein Drehkondensator schwer zu beschaffen
● Passt nicht in die „Digitale Welt“ (
? )
3
Experiment "Digitaler Oszillator"
Im Folgenden werden beispielhaft Geräte aufgeführt, die
ein DDS- Chip enthalten:
● DSW-40 ( Small Wonder Labs )
● PFR-3, MTR-2 ( Steve Weber, KD1JV )
● Blue Cool Radio ( DK1HE )
● KX-1 ( Elecraft )
● SM-15 ( DK1HE )
Alle aufgeführten Geräte enthalten die dargestellte oder
eine ähnliche Schaltung. Typisch ist der DDS- Chip mit
Quarzoszillator und Tiefpassfilter.
4
Experiment "Digitaler Oszillator"
Die DDS besteht im wesentlichen aus 3 Blöcken:
● Phase-Akkumulator; hier wird bei jedem Takt ein Stück Phase
aufaddiert.
● Aus dem Summenphasenwert wird in der Sinustabelle
( SIN-ROM) ein Wert abgelesen.
● Der Digital-Analog-Wandler ( DAC) macht daraus einen
Analogwert ( Stromquelle ).
In den im folgenden Beispiel wird ein AD9833 verwendet, bei dem
der Takt bei 25 MHz liegt. Dies ist eine sehr schlechte Wahl,
denn je höher der Takt ist, desto besser ist die Sinusform des
Ausgangssignals.
Zum Vergleich:
Der AD9850 hat einen125 Mhz- Clock- wie z.B. im
Antennenanalyser- Projekt von KB6BEZ, welches zum SWT
2015 in modifizierter Form vorgestellt wurde [12].
5
Experiment "Digitaler Oszillator"
Hier ein Aufbau mit AD9833.
Oben links ist das Modul mit dem DDS- Chip in SMD-
Bauform MSOP-10.
Hier ein paar Daten:
●
12.65 mW bei 3 V
●
0 Mhz bis 12.5 MHz
● Typ. 25 MHz Reference Clock
● Sinus, Dreieck, Rechteck
●
2.3 V to 5.5 V Power Supply
●
10-lead MSOP Package
6
Experiment "Digitaler Oszillator"
Das Ausgangssignal des DDS ist im Prinzip sinusförmig.
Je mehr sich die Ausgangsfrequenz aber der
Taktfrequenz nähert, so wird das Signal „eckig“, wie in
den Abbildungen gut sichtbar.
Es ist also auf jeden Fall ein Tiefpass am Ausgang
erforderlich.
Die Bilder stammen aus der Simulation mit dem
Programm 'ADISIMDDS' von Analog Devices [6].
7
Experiment "Digitaler Oszillator"
Es gibt fertige Module zu kaufen:
AD9833-Modul
12.65 mW bei 3 V
0 Mhz bis 12.5 MHz
Typ. 25 MHz Reference Clock
Sinus, Dreieck, Rechteck
2.3 V to 5.5 V Power Supply
10-lead MSOP Package
AD9850-Module ( 2 Varianten)
125 MHz Clock
On-Chip Comparator ( für Rechtecksignal)
32-Bit Frequency Tuning Word
3.3 V or 5 V
Low Power: 380 mW @ 125 MHz (5 V)
28-Lead SSOP Packaging
AD9851-Modul
ähnlich dem mit AD9850, hat jedoch
Einen 180 MHz Clock ( 30MHz x 6 Multiplier)
2.7 V to 5.25 V
555 mW @ 180 MHz
8
Experiment "Digitaler Oszillator"
Die Programmierung des DDS besteht aus 2 Funktionen:
● Serielle Schnittstelle SPI und
● Frequenzeinstellung.
Die serielle Schnittstelle wird über 3 Port-Pins bedient.
Das Protokoll ist einfach:
1) Chip Select auf Low
2) Date auf Pegel von Bit 15
3) Clock auf Low
4) Clock auf High
5) Schritt 2) bis 4) für Bits 14 bis 0 wiederholen
6) Chip Select auf High
Die Frequenzeinstellung erfolgt mit der Funktion
send (frequenz). Der 28-bit-Frequenzwert wird als High-
und Low- Wert an die DDS-Register gesendet.
Die Konstante 10.73741824 ergibt sich aus
2**28 /25*10**6 = 10.73741824
9
Experiment "Digitaler Oszillator"
Der DDS AD9833 wird hier vom Softwaremodul „keyer“
direkt getastet durch Einstellung der Frequenz auf 7MHz
( = Signal ein ) bzw. auf Null MHz ( = Signal aus ).
Die Verzögerung von ca. 200us am Anfang und am Ende
des CW- Signals ist zu vernachlässigen.
10
Experiment "Digitaler Oszillator"
Eine weitere Gruppe von Integrierten Schaltungen sind die
Programmierbaren Clock- Oszillatoren oder PLL- Clock
genannt.
Hier einige Anwendungsbeispiele:
● Si570
KX3, Lima- SDR, Fifi- SDR
● Si5351
WSPR- Kit, G0UPL , Hans Summers,
● ICS307
Fernempfangsradio II Harzburg SDR Empfänger
Das Ausgangssignal ist rechteckförmig.
11
Experiment "Digitaler Oszillator"
Das Chip Si5351 benötigt einen externen Quarz ( 25 oder
27 Mhz ).
Im Innern befindet sich einige
●
2 x PLL-VFO , der typisch auf 900 Mhz schwingt , siehe
Formel
●
3 x Multisynthesizer, siehe Formel
Es können 3 Frequenzen gleichzeitig ausgegeben werden.
Die Programmierung ist umfangreich (100 Register mit
vielen Optionen).
Aufgrund der umfangreichen Formeln und einigen zu
erfüllenden Randbedingungen ist die Programmierung
nicht einfach. Von Silicon Labs gibt es dazu ein
Entwurfstool.
Aber es gibt auch eine Library für Arduino, die dem
Programmierer die Arbeit vereinfacht.
12
Experiment "Digitaler Oszillator"
Die Ansteuerung erfolgt über I2C-Bus ( 2 Leitungen ).
Der Versuchsaufbau ist ein VF0 für 7,000 bis 7,040 Mhz.
Frequenzeinstellung wird der Einfachheit halber über Poti
gemacht. Hier gehört natürlich eigentlich ein Drehgeber
hin ! , wie auf Seite 6 zu sehen.
13
Experiment "Digitaler Oszillator"
Die Library vereinfacht uns die Arbeit !
● Das Objekt heißt natürlich „si5351“
● PLLA wird auf 900 Mhz eingestellt.
● Es wird nur CLK0 verwendet.
In einer Schleife ( Loop) wird
● die Soll- Frequenz über Analog-Digital-Wandler
eingelesen ( Poti ). ( Map() !! )
● die Frequenz neu eingestellt.
14
Experiment "Digitaler Oszillator"
Eine Windows App. Macht das Modul von PC aus
programmierber.
Nach Auswahl der Com- Port- Nr. wird die serielle COM-
Schnittstelle geöffnet.
Die Frequenzeingabe erfolgt in der Eingabemaske.
Durch Anklicken von „Frequenz übernehmen“ wird die
Frequenz als Textstring zum Arduino übertragen; dieser
stellt die gewünschte Frequenz ein.
Da nur ASCII-Zeichen verwendet werden, kann die
Programmierung auch über Terminal erfolgen.
Anmerkung:
Eine ähnliche Applikation wird in CQDL 10/2016 S.26
vorgestellt, wobei dort die Pins der seriellen COM-
Schnittstelle direkt den SPI- Bus eines AD9851 steuern.
15
Experiment "Digitaler Oszillator"
16
