Девиз статьи: какая, какая гадость, эта ваша заливная рыба....
Получилась длинная статья, поэтому краткое содержание: "исследование" AD9850, описание усилителя и схема, детектор, результаты и "снятые" АЧХ в конце статьи.
Конструкций на связке ардуино и DDS модуле на базе AD9850 описано огромное количество. И вызвано это дорогими китайцами, которые сделали доступным модуль DDS (в статье использован модуль HC-SR08). Конечно, более интересен AD9851 (по крайней мере частота выходного сигнала повыше (70 мГц), наличие PLL).
Необходимость "поделки", в моем случае, вызвана необходимостью убедиться в работоспособности ПАВ X6966D (datasheet). Уж очень "зверски" он был выпаян. Положение усугублялось взаимным затуханием в полосе пропускания в 20 дБ. Прибор типа nanoNVA я не приобрел, но имеется двухлучевой Hantek DSO2D15 (мини-обзор) и модуль AD9850. Все измерения и осциллограммы сделаны именно с помощью этого осциллографа. В качестве управляющей схемы - Arduino Uno. Небольшая доработка позволяет не бояться коротыша с нижней стороны ардуино (на фото, файлы для печати на 3d принтере в формате stl и модели в Компас V16 для Uno и Mega).
В качестве панели индикации и управления плата LCD Key Shield D1. Имеет на борту жидкокристаллический индикатор 16х2 и 6 кнопок, 5 подключены по схеме резистивного делителя к АЦП. Шестая - reset. Не самое удачное решение по кнопкам, с точки зрения, например, обработки "железных" прерываний. Еще одно положительное свойство этой платки - сквозной вывод остальных портов с платы ардуино (что, совсем не маловажный фактор, например, шильд 4" LCD при установке просто закрывает все оставшиеся порты - или используй шильд расширения, или танцуй как сумеешь).
Измерения не логарифмические (жалко AD8307), и, с условной линейностью. Собирать все буду на совсем уже так себе для этих целей макетной цанговой плате. Монтажные емкости, паразитные индуктивности - короче все там будет.
Примерная принципиальная схема модуля AD9850 приведена на Рисунке 1.
Краткое описание модуля:
- два выхода сигнала формы синус, с разностью фаз 180 градусов (утверждение правильное, только в случае если или добавить еще один фильтр на выход IOUTB, причем придется возится с задержкой сигнала на фильтре, согласовать с существующим на плате фильтром по времени, или будете непосредственно снимать с IOUT и IOUTB. А так, для частот до 20 МГц примерно 180 градусов). Один выход (pin 10) имеет фильтр, с срезом примерно 35 МГц.
- максимальная частота зависит от установленного на модуле тактового генератора F = Ft/2. В моем модуле - 125 МГц, следовательно до 62.5 МГц. На выходе после фильтра увидим закономерное уменьшение амплитуды после 32 мГц - 35 мГц. А вот на выходе без фильтра, посмотрев спектр сигнала с помощью анализатора увидим картинку из документации на AD9850 (Рисунок 2).
"Выходной спектр содержит основные сигналы плюс наложенные сигналы (изображения), которые происходят на частотах, кратных опорной тактовой частоте ± выбранная выходная частота" - из документации. То есть при сигнале частотой 40 МГЦ мы уводим еще и "палку" 125 - 40 МГц. На 62.5 МГц они сольются в "экстазе", и амплитуда будет суммарная. Как это использовать описано в документации на более современную модель - AD9851(Рисунок 3).
На рисунке 4 реальный спектр с выхода IOUTB.
Повторяет документацию (кто бы сомневался?), вот Fc+Fo меньше - осциллограф то 150 МГц, и видимо не особо входные цепи осциллографа широкополосны.
Ну и 62.5 МГц (Рисунок 5). Хорошая синусоида (Рисунок 6, хотя, что критичного можно увидеть на осциллограмме в 60 МГц прибором с полосой в 150? Только стремление к синусоиде).
Ну и осциллограмма 55 МГц (Рисунок 7, "коктель" из 55, 70, 125...). Так, сказать, законы природы в действии.
Немного отвлекся от основной темы. Итак, на выходе после фильтра (pin 10) "приличный" синус до 45 МГц, с снижением амплитуды после 32 МГц. На Рисунке 8 спектр и осциллограмма сигнала частотой 50 МГц на выходе с фильтром, режим АС. Следует отметить, что выход положительный и после фильтра тоже.
На Рисунке 9 приведена зависимость амплитуды от частоты при нагрузке 51 Ом,100 Ом и 200 Ом.
Теперь можно предположить, какую форму "кривой" мы можем увидеть после детектирования сигнала. Не очень "комфортные" уровни выходного сигнала AD9850 для наших целей, не плохо бы усилить.
В состав AD9850 входит еще и компаратор. Выходной сигнал компаратора - от 0 до Uпит-0.25В. Уровень обрабатывания регулируется единственным переменным резистором, расположенным на модуле. Есть некоторая зависимость в "качестве" синусоиды на выходе от порога срабатывания компаратора. Если компаратор не нужен, лучше уровень установить 0 (нет сигнала с компаратора). Компаратор подключен к выходу фильтра, прямой выход pin 7, инверсный к pin 8.
Напряжение модуля AD9850 - 5 вольт. Ток потребления при 125МГц опорном генераторе от 76 мА до 96 мА, зависти от R6 (это несколько отдельная история, упомяну далее в статье).
Примерные геометрические размеры модуля HS-SR08 на Рисунке 10.
Принципиальная схема генератора качающейся частоты простого "индикатора" амплитудно-частотной характеристики приведена на Рисунке 11.
Питание осуществляется напряжением 12В и током не менее 200 мА (примерно 100 мА - AD9850, 80 мА - ардуино с LCD и усилитель). Использовался лабораторный источник напряжения, описанный в статье на этом канале.
Скетч для Arduino можно скачать здесь (ad9850_sweep_simple.zip, как есть, я не очень программист). Управление кнопками:
- select - переключение по кругу режимов генератор (после включения сигнала не будет, необходимо поменять частоту), нижняя граница ГКЧ, верхняя граница ГКЧ, работа ГКЧ.
- up - шаг настройки частоты.
- down - шаг настройки частоты.
- rigth - увеличение частоты.
- left - уменьшение частоты.
Частоты в режиме ГКЧ: от 50 кГц до 62.4 МГц, в режиме генератора 1 Гц - 62.5МГц.
При работе ГКЧ в разделе дисплея "st:" отображается шаг перестройки ГКЧ. Шаг перестройки определяется из расчета 100 точек на диапазон изменения частоты генератора. Разрешающую способность можно увеличить или уменьшить по Вашему усмотрению в скетче. 100 точек для оценки простой АЧХ будет вполне достаточно.
Так как уровень сигнала не может похвастать большими уровнями, добавлен широкополосный усилитель на BFR93. Усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению порядка 8 дБ, полосу 80 кГц - 1 ГГц. Расчетная АЧХ усилителя приведена на Рисунке 12, реально измеренная характеристика усилителя примерно такая же.
Выбор транзистора обусловлен уже изготовленным модулем для другого проекта. Не самый удачный транзистор - для получения приемлемого баланса между уровнем нелинейного искажения сигнала, широкой полосы пропускания, коэффициентом усиления приходится выбирать режим с током коллектора 15 - 20 мА. Но есть и положительный момент - крайне высокая устойчивость к самовозбуждению (собранный каскад на макете с длинными навесными элементами не переходил в режим самовозбуждения на достаточно высоких частотах более 800 МГц) и низкая стоимость транзистора. Входное и выходное сопротивление усилительного каскада близко к 50 Ом. Усилитель собран на печатной плате из двухстороннего стеклотекстолита, изготовленной методом фрезеровки на ЧПУ станке CNC3018. Нижний слой сплошной, экранирующий, соединен с землей, "рисунок" проводящих ток областей вырезан на верхнем слое, радиокомпоненты припаяны сверху.
Требований особых к деталям нет, единственное - резистор R1 выбирать на рассеянную мощность не менее 0.2 Вт.
Настройка усилительного каскада сводится к подбору резистора R1 для достижения тока коллектора транзистора около 19 мА. При таком режиме напряжение на коллекторе около 5 В, на базе 850 мВ, на эмиттере - 210 мВ. Если есть необходимость увеличить полосу пропускания вниз можно поставить электролитические конденсаторы параллельно С7 и С6.
В принципе, для фильтров с низким затуханием в полосе пропускания усилитель можно исключить.
Собрав схему генератора на макетной плате, подключаем осциллограф - 2 канал разрешение по вертикали 5в/клетка, развертка 5 мс/клетка к выводу синхронизации, включаем ФНЧ (в моем случае 20 Мгц), синхронизацию привязываем к каналу 2, по спадающему фронту импульса, 1 канал через высокоомный щуп подключаем к выходу генератора, выставляем на генераторе нижний предел 50 кГц, верхний 62.4 МГц. Наблюдаем картину, похожую на Рисунок 13.
На осциллограмме прекрасно виден эффект псевдонимов (аliasing).
Запуск генерации примерно 500 мкс позже спадающего фронта синхроимпульса. Это время обработки данных для AD9850, может можно уменьшить, не ставил такую задачу. Если кто-то будет её решать - напишите, интересно.
Длительность следования сигнала одной частоты примерно 518 мкс. Теперь можно взяв калькулятор и зная шаг перестройки ГКЧ посчитать значение частоты фильтра.
Объект исследования, ради чего так уже много написано, ПАВ фильтр ПЧ от телевизора LG - X6966D. Ситуацию усложняет затухание в полосе пропускания в 20 дБ. Входное сопротивление более менее согласовывается с выходом усилителя, сопротивление нагрузки фильтра рекомендовано не менее 2 кОм.
АЧХ из документации приведено на Рисунке 17.
Соединим выводы 2, 3, 4 на общий провод, соответственно 1 - вход, 4 - выход, нагрузим через конденсатор 470 пф сопротивлением 2 кОм (такое подключение не совсем корректно, по схемам тв приемников предполагается дифференциальное подключение). Встанем на выход осциллографом. Диапазон ГКЧ 1 мГц - 50 мГц. Осциллограмма на Рисунке 18.
Как видим, фильтр работает. Конечно, много "грязи", но это "нормально" для такой "сборки" на таком макете - все помехи "Welcom"!
Теперь, хорошо бы видеть "огибающую" кривую сигнала. Здесь мы обратимся к детекторам. Конструкций достаточно много, об одной из них я писал в этой статье, на Рисунке 19 приведены схемы пробников от прибора X1-50, с высокоомным входом и низкоомным.
Так как кремневого ВЧ детекторного диода под рукой нет (или хотя бы Д18 германиевый), использую диод шоттки 1N5711, любимый мною за цену и быстродействие. Схема детектора приведена на рисунке 20. Иногда, для выравнивания АЧХ детектора можно включить резистор перед С2, номиналом 100 - 300 Ом.
Соединяем "выход" модуля AD9850 с детектором, не забываем нагрузочное сопротивление, выставляем на ГКЧ диапазон от 50 кГц до 62.4 мГц. Осциллограмма результата приведена на Рисунке 21.
Видно, что результат "примерно" совпадает с измерениями, представленными на Рисунке 9. В конце диапазона после 50 мГц закономерная "неразбериха" с уровнями. Достаточно взглянуть на спектр (Рисунок 22) сигнала частотой 56 МГц - достаточно сильный сигнал Fc-Fo (см. Рисунок 2).
Амплитудно-частотная характеристика после усилительного каскада приведена на Рисунке 23.
Для "выравнивания" АЧХ можно добавить схему АРУ, используя для регулировки задающую ток цепь ЦАП AD9850 (резистор R6).
Снятая амплитудно-частотная характеристика фильтра ПАВ приведена на Рисунке 24.
На Рисунке 25 приведена амплитудно-частотная характеристика при диапазоне генератора качающейся частоты 30 мГц - 42 мГц.
Отчетливо виден наклон "полки" фильтра - это снижение амплитуды AD9850 после 32 мГц. Амплитудно-частотная характеристика AD9850 в диапазоне частот 30 мГц - 42 мГц приведена на Рисунке 26.
По курсорам можно достаточно точно получить представление о полосе пропускания фильтра: между курсорами (Рисунок 25) по времени 33.4 мс, шаг перестройки частоты 124 кГц, 100 шагов, длительность шага примерно 518 мкс : (33.4/0.518)*0.124 = 7,9 мГц. Вот определить -3дб не получится, к сожалению, можем метрикой заниматься только по оси времени, поэтому это "индикатор" АЧХ. И, конечно, если придет в голову строить "прибор", необходимо использовать логарифмический усилитель (типа AD8307), блок аттенюаторов (иначе нет смысла - в данном "индикаторе" динамический диапазон низкий), усилитель с большим коэффициентом усиления,гальванически развязанное питание.... да много чего еще, да и частота только до 40 мГц.
Пока на этом все. Спасибо за Ваше терпение, если есть желание сделать приятное автору - подпишитесь, поставьте лайк, напишите комментарий.
Спасибо за внимание!
Статьи канала "Просто Радиолюбитель", использованные в статье:
Простая схема ВЧ головки для вольтметра.(до 50 мГц).