Синтезатор частоты на DDS (c CPU PIC16F648A или AVR Atmega32L).

Предыстория.

Автор, начиная с 90-ых годов, применяет только синтезаторы с микропроцессорным управлением в качестве первого гетеродина коротковолнового трансивера. Этому решению предшествовали конструкции UA1FA, RA3AO, «Урал-84М» А. Першина, в которых использовались обычные LC генераторы – первые опыты работы на них цифровыми видами связи в конце 80-ых годов показали основной недостаток – отсутствие надлежащей стабильности частоты. Если при проведении обычных связей телеграфом и SSB уход частоты не так заметен, то в цифровых видах связи постоянное подкручивание ручки настройки приводило к «расстройству чувств» и не позволяло поспевать за мировым научно-техническим прогрессом. Самостоятельное «изобретение» такого сложного узла как синтезатор частоты с микропроцессорным управлением в те годы было не реально – сказывался дефицит комплектующих и полнейшее отсутствие опыта такой работы.

Поэтому выход был только один – найти подходящую конструкцию для повторения. На тот момент это были два варианта – «Примус» киевлян и подобная конструкция, которую отрабатывали радиолюбители из Ковеля. Первый «монстр» управлялся советской «сороконожкой» КР580ИК80 – сегодня даже не хотелось бы об этом вспоминать – сколько времени, средств и героических усилий нужно было приложить, чтобы тот синтез запустить – отладить и «подружить» его с аналоговой частью трансивера! «Куча» горячих микрух 155 серии, плюс ещё и 500 серия, от которых грелись все окружающие радиоэлементы и платы, несколько напряжений питания различной полярности, токи потребления под ампер и более, габаритные платы… Ну, а «добивала» динамическая индикация на вакуумном индикаторе с достаточно высоким напряжением питания, которую из-за помех приходилось закрывать металлической коробкой… Платы помещались в пропаянные коробки из двухстороннего стеклотекстолита, а некоторые ещё и дополнительно в коробки из лужёной жести. Всё это грелось и «жужжало»… Как ни странно это отметить – но шумовые характеристики его были достаточно высокие, по-видимому, из-за «накрученной» аналоговой части – имею в виду сам высокочастотный сигнал. Но вот цифровая часть на то время не была приспособлена для установки её внутри трансивера. И все усилия были направлены на усовершенствование именно цифровой части – работа велась в направлении минимизации помех и использовании более совершенных микросхем. После 155, 555, 580 серий начали использоваться Z80, отечественные аналоги 1858ВМ1, ВМ3; серии 561, 1500 и так далее. Как итог творческих пятилетних исканий появился достаточно удачный для повторения вариант однопетлевого синтезатора с управлением от микроконтроллера фирмы Atmel 89С52.

Этот синтезатор повторён многими радиолюбителями, к нему написана программа управления компьютером. В сравнении с другими конструкциями – это простой и относительно недорогой синтезатор с достаточно качественными характеристиками для самодельного трансивера с первой промежуточной частотой до 12 МГц. Но автор не останавливается на достигнутых рубежах – через несколько лет после отработки этого синтезатора, появился «творческий зуд» изобрести что-то новое и более совершенное. Всем однопетлевым синтезаторам (по крайней мере, тем, которые автор сам изготовил или видел) присущи два основных недостатка – это фазовый дребезг или низкое быстродействие. Поставил «или» между этими недостатками намеренно, т.к. они связаны между собой. Если хочется получить хорошее быстродействие – нужно выбирать достаточно высокую частоту сравнения на фазовом детекторе (использовалась в предыдущих синтезаторах – 100кГц), но тогда невозможно полностью подавить фазовый дребезг – сигнал синтезатора в той или иной мере промодулирован - при работе SSB это практически не заметно, но в режиме CW уже слышно.

Для того чтобы избавиться от фазового «дребезга» приходится понижать частоту сравнения и срез фильтра на выходе ФД (что и сделано в синтезаторе с 89С52 – 240Гц), но понижается быстродействие синтезатора. И с таким синтезом не получится работать SPLIT с большими расстройками по частоте, применяя для перехода с приёма на передачу VOX (о чём и указывал в описании синтезатора – смотрите или статьи в ж. «Радиолюбитель», «Радиохобби» за 2000 год или описание синтеза на 89С52). Первый звук будет звучать с девиацией – пока кольцо ФАПЧ не захватит и установит частоту. Плюс к этим двум недостаткам можно отнести ещё и достаточную сложность получения малых шагов перестройки частоты – в синтезаторе на 89С52 это 30 Гц. Вариант «прямого синтеза» достаточно активно рекламируемый в интернете, тоже был опробован – использовались DDS от Analog Devices AD9850, AD9851, «КВ и УКВ» 62002. Увы, пока ещё шумовые характеристики этих микросхем не позволят использовать такой синтезатор в качественном трансивере. Всю информацию о предыдущих вариантах синтезаторов можно прочесть в журналах «Радиолюбитель», «Радиохобби», а авторский опыт выложен на этом сайте.

Попытки повторить синтезатор с качественными характеристиками от различных импортных трансиверов оказались нерациональны из-за многочисленности применяемых в них микросхем (которые к тому же нигде не продаются и, скорее всего, являются заказными именно под конкретное изделие) и соответственно высокой конечной стоимости такого «чуда». Но внимание привлекли синтезаторы, применяемые в FT100, FT817, FT897 – в них используется микруха от Analog Devices AD9850. Можно сказать что, покрутив ручки такой (пришлось раскошелиться на FT100D, FT817 и для сравнения на TS870S) техники и было принято решение о том, какого структурного вида будет следующий синтезатор. «Архитектура» построения стала ясна и работа велась в поиске оптимального решения между качественными характеристиками и стоимостью. Как итог этой работе – получено несколько вариантов с применением DDS от Analog Devices AD9832 http://www.analog.com и микроконтроллеров от Atmel – ATmega16 http://www.atmel.com и «Microchip Technology Incorporated, USA» www.microchip.com – PIC16F84, 16F628, 16F874 (так называемые ПИК-контроллеры). Индикация сделана как с применением обычных семисегментных (импортных) индикаторов АЛС, так и на двухстрочных и матричных ЖКИ. Применение «примитивных» ЖКИ от АОНов не закладывалось в связи с наличием платы на АЛС.

Акцентирую внимание «бегло» читающих и не вникающих в суть статьи любителей поболтать и посплетничать на бендезонах – это синтезатор не «прямого синтеза» (как мне уже «докладывали» в эфире!) и такие синтезаторы – «прямого синтеза» – не применяют в качественных трансиверах, по крайней мере мне таких – с «прямым синтезом» не попадалось – почитайте про мои поиски таковых в описании синтезатора «прямого синтеза» на AD9850 – см. выше где читать.

Ниже даю описание синтезатора, которое не рассчитано на профессиональных разработчиков такой техники – прошу не «пинать больно» за сленг и техническую «корявость» текста. Основная задача описания – рассказать в общих понятиях как всё работает, на какие особенности следует обратить внимание при повторении и помочь рекомендациями как такой синтезатор изготовить и установить в свой трансивер радиолюбителю средней квалификации, которому образно говоря «до лампочки» – что и как работает внутри микросхемы DDS сколько там разрядов, или на каком языке целесообразнее писать управляющую программу для ПИК-а. Дотошным «изобретателям» рекомендую всю дополнительную информацию смотреть на сайтах фирм изготовителей, для чего и привожу их адреса и названия неоднократно по тексту.

Кнопки управления синтезатором (их всего 18), объединены в поле из 12-ти – именно для управления частотой синтеза и 6 кнопок могут быть «разбросаны» по передней панели трансивера – они служат для переключения режимов в ТРХ. Кнопки для управления режимов работы трансивера работают квазисенсорно, т.е. кнопки без фиксации – чтобы включить режим нужно нажать на кнопку, повторным нажатием происходит выключение. Для того чтобы понять включен режим или нет – возле каждой кнопки расположен светодиод, который свечением показывает включение режима. Кнопки управления частотой синтезатора имеют несколько функций. Основную функцию определяет надпись возле кнопки, дополнительно каждой кнопке присвоена цифра, девяти кнопкам диапазоны и некоторые кнопки имеют ещё и подфункцию в «Меню» о которой речь пойдёт дальше.

Отработано несколько версий синтезаторов частоты для этого трансивера. В качестве управляющего процессора применены ПИК контроллер PIC16F648A или AVR Atmega32L. Индикация возможна на семисегментных светодиодных индикаторах или двухстрочном ЖКИ 1602.

Технические характеристики синтезатора (далее чистый техницизм)

Синтезатор позволяет синтезировать частоты всех 9-ти КВ диапазонов и как дополнительную функцию имеет возможность индицировать на индикаторах частоты диапазонов 50МГц, 144МГц, 430МГц и 136кГц (более подробно о дополнительных возможностях в описании работы управляющих кнопок). Шаг перестройки можно выбирать из значений 1, 10, 20, 30, 50, 100, 1000, 5000Гц. Может программироваться значения трёх абсолютно независимых промежуточных частот от 0 до 100МГц. Все установки выполняются прямым набором с клавиатуры синтезатора через Меню. Каждой кнопке клавиатуры присвоена определённая цифра и нужно просто набрать кнопками или накрутить ручкой валкодера требуемое число. При использовании синтезатора с процессором PIC16F648A ввод ПЧ происходит валкодером, а при использовании Atmega32L кнопками клавиатуры. Запоминание всех установок происходит после выхода из меню и будет сохраняться в ОЗУ контроллера пока вновь не будет изменено пользователем. Все пользовательские установки в ОЗУ ПИК-а сохраняются без дополнительного источника тока даже с выключением трансивера.

Организована система САТ (управление от компьютера). Применён стандартный протокол фирмы Kenwood. Синтезатор можно соединять с компьютером через СОМ порт и управлять им из популярных радиолюбительских программ. Проверены и работают программы Hamport, MixW, AALog2, Ham Radio Deluxe.

Таблицы расчёта выходной частоты.

За основу приняты две «базовые» структуры построения супергетеродинов с постоянной первой промежуточной частотой.

Частота гетеродина равна:

1.Сумме промежуточной частоты приёмника и частоты, которую собственно и принимает приёмник – Fget=Fпч+Frx на принимаемых частотах от 0МГц до15МГц. И разности этих частот на принимаемых частотах от 15МГц и выше – Fget=Frx-Fпч. Эта структура построения гетеродина является так сказать «основной и базовой» в самодельных КВ трансиверах с промежуточной частотой до 12МГц.

Где: Fget – частота гетеродина, Frx – принимаемая частота, Fпч – промежуточная частота.

Этот вариант расклада частот для ПЧ=8,862МГц приведён в Таблице №1

Таблица №1.

  ПЧ кГц: 8862 <--- Подставить нужные значения
Divider OUT 4 делитель на выходе устройства
Divider PLL 256 делитель в цепи ФАПЧ
Divider DDS 1 делитель после DDS
диапазон м диап. частот, кГц
знак ПЧ
перестройка ГПД
диапазон DDS , Гц диапазон DDS , Гц
160 1810 2000 1 10672 10862 42688 43448 166750 169718,75
80 3500 3800 1 12362 12662 49448 50648 193156,25 197843,75
40 7000 7300 1 15862 16162 63448 64648 247843,75 252531,25
30 10100 10150 1 18962 19012 75848 76048 296281,25 297062,5
20 14000 14350 -1 5138 5488 20552 21952 80281,25 85750
17 18068 18200 -1 9206 9338 36824 37352 143843,75 145906,25
15 21000 21450 -1 12138 12588 48552 50352 189656,25 196687,5
12 24890 25140 -1 16028 16278 64112 65112 250437,5 254343,75
10 28000 29700 -1 19138 20838 76552 83352 299031,25 325593,75

Частота гетеродина равна:

2.Сумме промежуточной частоты приёмника и принимаемой частоты на всех рабочих частотах приёмника - Fget=Frx+Fпч. Этот вариант построения гетеродина присущ всем приёмникам с высокой промежуточной частотой. Это так называемое «преобразование вверх», когда промежуточная частота выше принимаемой частоты приёмника. Такой гетеродин имеют все современные промышленные радиолюбительские трансиверы.

Где: Fget – частота гетеродина, Frx – принимаемая частота, Fпч – промежуточная частота.

Этот вариант расклада частот для ПЧ=90,0МГц приведён в Таблице №2.

ПЧ,  кГц – 90000  Делитель между ГУН и ФД – 256.

Диапазон, м

Диапазон частот, кГц

  Перестройка  ГУН, кГц

Диапазон DDS , Гц

160

1810

2000

91810

92000

358633

359375

80

3500

3800

93500

93800

365234

366406

40

7000

7300

97000

97300

378906

380078

30

10100

10150

100100

100150

391016

391211

20

14000

14350

104000

104350

406250

407617

17

18068

18318

108068

108318

422141

423117

15

21000

21450

111000

111450

433594

435352

12

24890

25140

114890

115140

448789

449766

10

28000

29700

118000

119700

460938

467578

Структурная схема синтезатора.

Где:

  • CLK – опорный кварцевый генератор на 20МГц.
  • DDS – микросхема AD9832 формирующая сигнал с частотами 80-350кГц.
  • ФНЧ – фильтры низкой частоты.
  • ФД – фазовый детектор.
  • VCO – генераторы управляемые напряжением Upll (ГУНы), поступающим на варикапы.

Делители 1/256 и 1/4 – делители частоты на 256 и на 4.

Микросхема DDS формирует в зависимости от диапазона, частоты от 80 до 350кГц, которые через фильтр низкой частоты поступают на один из входов частотно-фазового детектора. Частоты с выхода ГУНов 20-84МГц делятся делителем на 256 и поступают на второй вход частотно-фазового детектора. Напряжение с выхода ФД, пройдя через фильтр ФНЧ, поступает на варикапы перестройки ГУНов по частоте. Изменение напряжения происходит до тех пор, пока частоты на обоих входах ФД не совпадут, соответственно при совпадении частот кольцо ФАПЧ (ФД-ФНЧ-VCO-1/256) замкнётся и будет удерживать частоту. Перестройка по частоте начнёт происходить, когда начнёт изменяться частота, формируемая микросхемой DDS. Управление частотой DDS происходит от процессора по заложенной в него программе. Для того чтобы частота от ГУНов подходила для «стандартного» построения TRX с ПЧ трансивера в районе 0-12МГц её дополнительно делим на 4.

Описание, схемы и фото синтезов

Схемы и фото синтеза на CPU PIC16F648А:

Схемы и фото синтеза на CPU AVR Atmega32L:

Размеры плат всех версий синтезаторов соответствуют друг другу и без проблем устанавливаются на одни и те же посадочные места в трансивере. Все платы полностью взаимоменяемы.

Для управления синтезатором использован ПИК-контроллер DD1 PIC16F648А. Выбран он по соображениям «стоимость-качество-возможности». Управляющая программа зашита в ПЗУ процессора. Блок внутренней оперативной памяти позволяет делать требуемую коррекцию в управляющей программе по желанию пользователя и эти пользовательские установки сохраняются в ОЗУ без дополнительного внешнего источника питания для микросхемы. Сохраняются «базовые» установки, которые описаны выше и информация в ячейках памяти. При включении питания программа выставляет из ячейки памяти №0 частоту и шаг перестройки, режимы трансивера – т.е. состояние 6-ти кнопок управления трансивером; «умножение» на 4n импульсов валкода, «обнулённые» ячейки стека. Т.е. можно записать в ячейку №0 те параметры трансивера, которые хотелось бы иметь сразу при каждом его включении и программа прилежно их будет запускать.

Вариант с процессором AVR Atmega32L более дорогой и с бОльшими возможностями сервиса, т.к. объём внутренней памяти процессора больше, нежели у ПИК-контроллера. Следует отметить дополнительный положительный момент в применении микроконтроллера Atmega32L – напряжение питания можно снижать до 3,3В – соответственно снижается и уровень помех от процессора.

Микроконтроллер управляет работой микросхемы DDS DD2 AD9832 (это микросхема прямого синтеза частоты – Direct Digital Synthesis) по шинам RA2, RA3, RA4. Микросхема AD9832 DD2 выдаёт синусоидальный ВЧ сигнал (с вывода №14) частотой от 80 до 350кГц.

На плате «контроллер-индикация» разместилась почти вся «цифра»: ПИК-контроллер DD1, опорный кварцевый генератор на 20МГц VCO, микросхемы связи с «периферией» DD3, DD4, DD5, семь управляющих регистров DD9-DD15 светодиодными матрицами LED1-LED7, микросхема управления кнопками клавиатуры DD7 и микросхема формирования импульсов валкодера DD8, один элемент которой DD8C служит для инвертирования сигнала гашения АЛСок.

Для минимизации взаимного влияния узлов друг на друга по питанию некоторых введены дополнительные LC фильтры. Это L1, L4, L5, L6 и конденсаторы С32,6,7,21,22,23,24,27,25,26. Для питания формирователя «минуса» использован RC фильтр – R24, C19,20. И фильтр отрицательного напряжения на элементах C16,17,18 R26. Индуктивность L6 входного фильтра по +5В выполнена на кольце К7, проницаемостью 2000. Достаточно 15-20 витков провода ПЭЛ 0,15-0,2мм. Этот фильтр введён по соображениям распространения возможных помех по шнуркам напряжения 5В, которые тянутся по трансиверу до 5В-ольтвой КРЕНки, расположенной на общем радиаторе трансивера. Фильтр на L6 применён по соображениям не ограничения распространения помехи от ПИКа, а для того, чтобы исключить возможность попадания ВЧ наводки от мощного ШПУ трансивера в схему синтезатора. В принципе тоже самое можно сказать и о RC фильтрах по шине D – R27,28,29,30 С28,29,30,31.

Выходной сигнал DDS фильтруется фильтром пятого порядка C10,11,12 L2,3.

Выводы Р2,Р4,Р5,Р6,Р7,Р8 коммутируют различные режимы трансивера. Р2 включает АТТ, Р4 включает УВЧ, Р5 включает USB, Р6 включает VOX, Р7 включает сужение полосы пропускания для CW, Р8 включает ограничение SSB сигнала. Включение каждого режима индицируется засветкой светодиодов расположенных рядом с кнопками – VD1-VD7, т.к. управление квазисенсорное. Кнопочку нажал – режим включился – светодиод засветился, ещё раз нажал – режим выключился – светодиод погас.

Шина D, выводы D0,D1,D2,D3, управляют дешифраторами 555ИД10 включения диапазонов на плате ДПФов и соответствующих коммутаций при переключении диапазонов на плате ГУН.

Вход LOCK соединяется с одноимённым выходом на плате ГУН. Светодиод LOCK своим свечением показывает размыкание кольца ФАПЧ, т.е. неисправность в работе синтезатора. Когда светодиод не светится – это указывает на то, что кольцо ФАПЧ замкнуто и синтезатор работает верно.

На вход TX_IN подаётся напряжение +12В-ТХ трансивера. При подаче этого напряжения загорается красный светодиод VD10, который указывает на перевод трансивера в режим передачи и открывается ключ на VT2, который блокирует клавиатуру и управляет работой режима SPLIT и RIT синтезатора.

САТ система организована через шнурки «PC modem» RX и TX на схеме. Для того чтобы развязать трансивер от компьютера следует использовать модем. Можно использовать по любой из двух приведённых схем. Схемы модемов приведены в разделе «Схемы».

Формирование импульсов валкодера осуществляется микросхемой DD8.

Светодиодные матрицы LED1-LED7 использованы раздельные одиночные. Можно использовать любые с общим катодом.

Плата ГУН.

Схема , фото на обычном текстолите , фото с заливкой и маской.

Генератор управляемый напряжением (ГУН) работает на частотах в 4-ре раза выше требуемой для трансивера со «стандартной» промежуточной частотой 5-10МГц. Это сделано по двум причинам – первая – на более высокой частоте катушки получаются меньше размерами, вторая – универсальность, в зависимости от требуемых условий можно получать частоты с ГУНа более 100МГц.

Применён один ГУН на VT1 BF966. Проверены в этом узле все импортные полевые транзисторы, которые предлагают киевские фирмы. Наиболее подходящими оказались BF966 и BF998. Для эмиттерного повторителя VT2 и усилителя ВЧ VT3 уровня гетеродина, применены малошумящие и достаточно мощные BFR96S. Обеспечение перекрытия всего требуемого диапазона частот гетеродина осуществляется подключением катушек L1,L2,L3,L4,L5. Переключение осуществляется контактами четырёх реле РЭС49 К1,К2,К3,К4.

При подключении только катушки L5 гетеродин (замкнут контакт К4) перекрывает частоты 10м и 30м диапазонов. При подключении катушек L5 и L4 (замкнут контакт К3) диапазоны 12м и 40м. При подключении L5, L4, L3 (замкнут контакт К2) диапазоны 15м и 80м. При подключении катушек L5, L4, L3, L2 (замкнут контакт К1) диапазоны 160м и 20м. При включении диапазона 20м через диод VD8 включается дополнительный делитель выходной частоты на 2 DD6A. Когда включены все катушки (контакты все разомкнуты) гетеродин выдаёт частоты 17м диапазона. Управление коммутацией катушек происходит ПИК-контроллером по шине D – входы D0-D3. Микросхема DD1 555ИД10 дешифрирует сигналы ПИКа и включает требуемое реле. Между реле и DD1 установлены дополнительные LC фильтры – элементы L6-L9, С5-С12. Диоды VD1-VD4 служат для погашения бросков обратного тока при переключении реле. Питающее напряжение +9В ГУНа стабилизировано интегральным стабилизатором DA1 и дополнительно отфильтровано фильтром на VT6, C52.

Выходная частота делится на 2 микросхемой DD6B и дополнительно ещё на 2 DD6A при включении диапазона 20м. Резистор R48 служит для согласования с коаксиальной линией.

Для дополнительной развязки между «аналогом и цифрой» DD6, DD7 запитаны от отдельного +5В стабилизатора DA2.

Делитель на 256 DD8 применёна микросхема отечественного производства КР193ИЕ6. Буфером-развязкой один из элементов DD7D. Следует отметить, что выходной сигнал делителя 193ИЕ6 намного чище в сравнении с выходным сигналом получаемым делителями других типов. Поэтому никакой фильтрации выходного сигнала между DD8 и DD4 не производилось. Делённый сигнал ГУНа подаётся на один из входов фазового детектора DD4. В качестве DD4 применена более продвинутая версия микросхемы 4046 – это 74НСТ9046. В Data Sheet-е на 9046 целый раздел посвящён тому, в чём же она лучше своей предшественницы 4046. В 9046 фирмой заложена более качественная работа именно фазового компаратора, что и нужно для нашего применения. Для индикация захвата петли ФАПЧ используется сигнал с выхода Р1 DD4. Ключ на VT5 управляет светодиодом LOCK расположенным на плате индикации-контроллера. Транзистор VT4 усиливает сигнал DDS.

DD4, DD8 питаются от отдельного стабилизатора DA3.

Управляющее напряжение Upll формируется операционным усилителем DA4 и подаётся на варикап VD5 КВ132 через RC фильтрующие элементы. Резистор R7 зашунтирован диодами VD7,8 для ускорения параметра заряд-разряд в цепи.

Модем.

Модем №1

Модем №2

Приведены две возможные схемы модемов. Для работы первой схемы «Модем №1» требуется постоянное напряжение 5В, которое берётся от трансивера. Для работы второй схемы «Модем №2» рабочее напряжение берётся из компьютера. В зависимости от типа РС возможно использование первой или второй схемы модема.

Для правильной работы синтезатора с компьютером требуется:

  • цепь RX соединения синтезатора с модемом подсоединить к +5В резистором 1-10кОм.
  • не соединять цепи земли синтезатора и РС (в модеме они разделены – это цепи GND-gnd).
  • без компьютера синтез сам не выдаёт сигналов на ТХ. При САТ обмене трансиверов с РС, синтезатор только отвечает на полученную правильную команду с нужными параметрами – поэтому это следует учитывать при настройке системы САТ.
  • в схемах любых модемов важно обеспечить двухполярное питание выходного каскада. Напряжение в схеме Модем №1 проверять на R9 и R6 , в схеме Модем №2 на С2 и С3 относительно земли GND компьютера, а не синтезатора, обязательно при запущенной и настроенной программе управления в РС. Только тогда появляется напряжение в СОМ порту после инициализации его программой.

Настройки в некоторых программах.

В MixW2

В Hamport