数码之家

标题: 制作低成本基于AD9833的10Hz~10MHz正弦锯齿波信号发生器 [打印本页]

作者: 2545889167 时间: 2021-8-11 01:47
标题: 制作低成本基于AD9833的10Hz~10MHz正弦锯齿波信号发生器
好久没来发帖，主要是近一年实在是在太忙了，玩的东西荒废好久。这两天终于有空玩还是受yi情影响，虽然不是隔离，但是被困在家里，闲着没事索性有空填了两个坑。
第一个已经发了，算是近古坑，刚挖了只一两个月就填了：做了一个低频ID卡/门禁卡读写复制器支持偏频：https://www.mydigit.cn/thread-268309-1-1.html

本帖这个是个中古坑，挖了一年多，可算填了。还要好多远古坑不知道要什么时候有空填了，最近管kong开始逐步解除了，又得忙起来板砖干活了。
挖坑时间在一年半前
去年三月就开始画PCB了

[attach]1244520[/attach]
前前后后改了三版程序也断断续续写了好久
第一版奇怪的bug

[attach]1244521[/attach]
第二版因为没有低功耗设置关闭波形输出的时候整个升压系统和模拟系统都在供电，所以在电池应用里面实在是受不住

[attach]1244519[/attach]
最终的第三版又完全重新改了电源系统，加了电源路径管理支持插外部电源时整体由外部电源供电，且在无波形输出时切断整个模拟域

原理图

考虑到25MHz的有源晶振价格比较高，所以使用了STM8的HSE作为晶振振荡器，直接给STM8超频连接25MHz的晶振，使用CKO时钟输出给AD9833提供时钟
这样25MHz无源晶振就非常便宜了，当然需要高精度的频率的话，PCB上也预留了有源晶振的位置
而STM8内部为了防止跑飞（实际上实测CPU直接跑26MHz也没什么事），CPU工作在25MHz/8=3.125MHz的频率，而外设全部工作在25MHz。

[attach]1244522[/attach]
设计的七阶巴特沃兹低通滤波器，3dB通带带宽10MHz

[attach]1244512[/attach]

因为设计就是低成本向的，元件选取上整体成本已经非常低了，整个上面最贵的就是AD9833主核心，模拟器件全是买拆机货，一两元还包邮。其他的东西都是东拼西凑拆的。屏幕是某垃圾店卖的IIC屏幕，当时买了10片一直没用

PCB图

[attach]1244517[/attach]
正面去掉了影响按按键的元件，且加上按键丝印

[attach]1244516[/attach]
背面电源管理完全重做本来是不想用0402元件的
实在塞不下没办法只得用了，还用了sod302的小二极管 sot323的小三极管

[attach]1244518[/attach]

实现的参数
支持波形:正弦波、锯齿波

输出正弦波3dB带宽:10Hz~10MHz
实际波形较好带宽:高速模式20Hz~8MHz 低速模式20Hz~10KHz
频率分辨率:高速模式0.1Hz 低速模式0.01Hz
频率精度：取决于晶振
数控可调幅度:-28dBV~+12dBV 相当于40mVpp~4Vpp ---》100倍可调范围
幅度调节步进:0.1dBV
数控可调偏移:-3.3V~+3.3V
偏移调节步进:0.01V

程序前前后后写了很久，最后这几天一口气写完了，极限优化下，把STM8的瘦小8K容量塞的满满当当一点不剩(当然再优化优化榨一榨还有可能在优化出一两百个bytes把)
flash占用刚好8192bytes 其中程序7Kb，字库1.5Kb。字库剩下的576bytes塞在容量640byte的EEPROM里面

[attach]1244515[/attach]
flash区塞满证据

[attach]1244513[/attach]
eepreom区还能再塞48bytes

[attach]1244514[/attach]

-----------------我是分割线--------------------

实物做了两个正面其中有一个屏幕还没贴胶

[attach]1244523[/attach]

背面
[attach]1244524[/attach]

电源部分特写
[attach]1244525[/attach]

开机后页面：依次显示频率、系统电压、幅度、偏移、波形类型

开机不开波形输出时：耗电16mA

[attach]1244527[/attach]

开启波形输出耗电76mA

[attach]1244526[/attach]

专门绘制的电池图标，长按最右边按键切换（自动记忆，下次上电保持设置）

电池图标：
[attach]1244528[/attach]

直接显示电压

[attach]1244529[/attach]

对于强迫症，增加一个一键归零调整模式，如果频率调的很乱，想要一次性弄成整数，不再需要一位一位的去调整归零！！
普通模式下：调节编码器只改变对应位，比如依次增加编码器
[attach]1244573[/attach]
[attach]1244574[/attach]
[attach]1244575[/attach]
这时候长按向下键开启一键归零模式
[attach]1244576[/attach]

再拧一格编码器，所有低于调整位的位数全部归零！！！强迫症福音有没有！！！！

[attach]1244577[/attach]

甚至可以直接拧出9999999！而不需要在普通模式下一位一位的去调
[attach]1244578[/attach]

-----------------------------我是分割线---------------------------

开始说波形发生性能

一、高频性能

设置幅度2V 6MHz下显示1.9V 此时频谱非常纯净
[attach]1244536[/attach]

7MHz下显示1.84V
[attach]1244537[/attach]

9MHz下已经可以看到起伏，幅度降到1.68Vpp，可以看到没滤干净的第二奈奎斯特区镜像频率分量了

[attach]1244534[/attach]

10MHz时就更明显了，幅度降到1.48Vpp，这时候镜像分量更加大了
[attach]1244535[/attach]

所以高频段虽然说DAC可以到二分之一采样率的输出，但是鉴于滤波器的过渡带宽度，其实一般只用到25MHz/3=8MHz以下的频率，保证三个以上采样点输出的正弦波效果才会好。

二、低频性能

由于AD9833单端输出转AD603差分输入有偏置的原因，所以在信号处理电路中加了一个隔直电容，虽然带宽已经非常小了，但是还是有影响
具体测得3dB带宽在10Hz
低频输出200Hz 幅度1.92V

[attach]1244538[/attach]

低频输出100Hz 幅度1.92V
[attach]1244539[/attach]

低频输出50Hz 幅度1.84V 开始有所下降但是并不影响

[attach]1244540[/attach]

低频输出30Hz 幅度1.74V
[attach]1244541[/attach]

低频输出10Hz 幅度1.1V 达到-3dB

[attach]1244542[/attach]

低频输出5Hz 幅度0.66V
[attach]1244543[/attach]

三、增益性能

用AD603控制增益，增益可调范围为40dB，也就是100倍，基本上足够日常使用
幅度可调：-28dBV~+12dBV 相当于40mVpp~4Vpp
实际上由于AD603增益还是有些差异，所以我做的两个一个最高输出4V，一个只有3.6V。这种需要校准调整下，不属于原理问题，此处不详述

由于AD603是对数增益调整，所以实际调整显示的dB，在使用上有些反人类，所以要转换到电压显示。
让stm8这种小身板计算对数实在是过于为难且对数库需要占用非常多空间，所以研究了下决定用线性插值。
打开matlab
画了下线性插值间距造成的误差
0.5dB插值间隔到+12dBV误差可以控制在2mV以内

[attach]1244510[/attach]

1dB插值间隔到+12dBV误差可以控制在8mV以内。
实际上在高幅度区显示的是x.xxV,分辨率到10mV，所以用1dB间隔，精度也够了。低幅度区，更不影响了。
毕竟几mV的显示误差不值当浪费多一倍的空间

[attach]1244511[/attach]

附上生成线性插值数组的代码：

clc
clear all
begin_dBV = -40;
end_dB = +20;
dBV_Lin_0P5 = begin_dBV:1:end_dB;
dBV_Lin_0P1 = begin_dBV:0.1:end_dB;
mV_Lin_0P5 = 10.^(dBV_Lin_0P5/20) *1000;
mV_Lin_0P1 = 10.^(dBV_Lin_0P1/20) *1000;
Test_mV_Lin_0P5 = round(mV_Lin_0P5*10);
Test_mV_Lin_0P1 = interp1(dBV_Lin_0P5,Test_mV_Lin_0P5,dBV_Lin_0P1,'linear');
figure
plot(dBV_Lin_0P1,mV_Lin_0P1-Test_mV_Lin_0P1/10);
title('线性插值的误差');
xlabel('输入对数电压 dBV');
ylabel('输出误差 mV');
fid=fopen('dB_data.txt','wt');
fprintf(fid,'%g,',Test_mV_Lin_0P5);
fclose(fid);

复制代码

以1KHz输出为例测试输出幅度调节

12dBV输出理论4Vpp
[attach]1244547[/attach]

10dBV输出
[attach]1244546[/attach]

6dBV输出理论2Vpp
[attach]1244544[/attach]

0dBV输出理论1Vpp
[attach]1244548[/attach]

-6dBV输出理论500mVpp
[attach]1244549[/attach]

-12dBV输出理论250mVpp
[attach]1244550[/attach]

-20dBV输出理论100mVpp
[attach]1244551[/attach]

-28dBV输出理论40mVpp 还是有一些噪声的
显示示波器频率计显示是不准的因为这垃圾示波器他触发不了了
注意到由于运放的电压失调和PWM的精度问题，实际上这里的基线平均值为19mV (校准可以解决)

[attach]1244552[/attach]

三角波的幅度性能

[attach]1244545[/attach]
[attach]1244558[/attach]

40mV

[attach]1244559[/attach]

四、偏移性能

偏移0.5V
[attach]1244553[/attach]

偏移1V
[attach]1244554[/attach]

偏移2V
[attach]1244555[/attach]

最大偏移3.3V
[attach]1244556[/attach]

在最大偏移的时候开最大幅度是会出现削顶失真的（因为顶到了电源轨）使用时需要注意

[attach]1244557[/attach]

四、低速高精度模式

由于在25MHz的时钟下输出频率分辨率只有约0.1Hz，所以如果给AD9833以25MHz的八分频时钟，可以得到约0.01Hz的分辨率
长按左键切换高速模式
[attach]1244561[/attach]

长按右键切换低速模式两个模式的频率各自保存自动储存到EEPROM
[attach]1244560[/attach]

在低速模式下可以实现频率微调
比如现在示波器显示999.970Hz

[attach]1244562[/attach]

微调增加10mHz 示波器显示999.982Hz
[attach]1244567[/attach]
微调增加40mHz 示波器显示1.00000KHz 满足强迫症的某些精确频率调控需求

[attach]1244566[/attach]

当然低速模式也有问题，由于没有低通滤波器滤除第二奈奎斯特区的频率分量
大于10Khz的时候就不能用了，所以需要注意适用范围
比如低速模式100KHz，可以看到清晰的采样点
[attach]1244570[/attach]

而高速模式则没什么问题
[attach]1244571[/attach]

低速模式降低到10KHz,则没什么问题

[attach]1244572[/attach]

next

作者: 2545889167 时间: 2021-8-11 01:48
本帖最后由 2545889167 于 2021-8-11 10:23 编辑

套件暂时不考虑，别问了。屏幕只买了10片，不够做套件的。而且时间精力也折腾不起

本设计是开放电路板工程文件和固件：
不过总的来说我觉得应该没多少玩家毕竟工程巨大，且比较复杂调试起来也需要很多设备（至少得有示波器吧）要的知识储备也不少

电路板GBR文件
[attach]1244584[/attach]

原理电路图
[attach]1244585[/attach]

固件，基础功能
[attach]1244586[/attach]

此处约法三章：
1、严禁用于商业用途（包括不限于闲鱼等有偿出售、论坛赚积分）仅供学习和交流。一旦发现有人用于商业用途，追查到底！
2、拒绝伸手党，下载附件请猛砸m币，如果没有m币的，请积极回帖。不要下载了东西，跟没来过似的~
3、希望大家使用以后有bug及时反馈有好的意见想法欢迎提出来

一摘使瓜好，再摘令瓜稀。三摘尚自可，摘绝抱蔓归。

作者: go2net 时间: 2021-8-11 02:18
你的输出阻抗如果是50欧姆的话，输出幅度单位调整为dBm会更加通用点，高频信号发生器一般都是用dBm作为输出幅度的。不过你这个频率低于10M，估计你主要作为低频使用，那也说得过去

作者: 2545889167 时间: 2021-8-11 02:22
夜里面发帖居然没人回哎，都睡了吗

作者: 2545889167 时间: 2021-8-11 02:28

go2net 发表于 2021-8-11 02:18
你的输出阻抗如果是50欧姆的话，输出幅度单位调整为dBm会更加通用点，高频信号发生器一般都是用dBm作为输出 ...

是50欧输出。不过这种低频，用不用50欧其实也没影响。其实主要还是看换算好的电压峰峰值幅度来使用了，具体用dbm还是dbv我觉得主要是个调整的时候的显示罢了

作者: 无语·回忆 时间: 2021-8-11 02:32
dalao又出新作了

作者: 649850 时间: 2021-8-11 03:00
大佬巨制

作者: azhen 时间: 2021-8-11 05:32
技术贴，顶，我玩不转

作者: zzs09 时间: 2021-8-11 08:50
顶一下，虽然看不懂，但无疑是很牛牛的

作者: beiling 时间: 2021-8-11 09:07
大佬一出手就是精华

作者: leifeng 时间: 2021-8-11 09:17
牛！

作者: zzy_85569381 时间: 2021-8-11 09:20
本帖最后由 zzy_85569381 于 2021-8-11 09:22 编辑

高科技，出套件不？再弄个矩形波就完美了

作者: zzqqzzz 时间: 2021-8-11 09:41
归归归归零:lol::lol::lol:

作者: zzqqzzz 时间: 2021-8-11 09:42
大佬这个是工作需要做的吗

作者: gl542400 时间: 2021-8-11 09:45
:lol:看一下，不错精品。哪天不懒了可以搞一个，但是就是一个字拖。好多有板了就懒得焊。:sweat:

作者: west001 时间: 2021-8-11 09:55
来膜拜大神，期待设计个低成本电池内阻仪

作者: kirsuze 时间: 2021-8-11 10:04
给大佬献上膝盖！:lol:

作者: 2545889167 时间: 2021-8-11 10:23

zzqqzzz 发表于 2021-8-11 09:42
大佬这个是工作需要做的吗

显然不是哦

作者: 2545889167 时间: 2021-8-11 10:24

zzy_85569381 发表于 2021-8-11 09:20
高科技，出套件不？再弄个矩形波就完美了

这芯片不支持哦。出来的方波幅度和别的不一样

作者: qrut 时间: 2021-8-11 11:18

zzy_85569381 发表于 2021-8-11 09:20
高科技，出套件不？再弄个矩形波就完美了

ad9833看了一下资料应该支持方波，就输出带宽应该很可怜，我感觉都不如正弦加一级比较器整形来的好，我买的那个dds任意波方波输出惨不忍睹～

作者: 冷雪飞 时间: 2021-8-11 12:25
学习了，好贴，超详细的介绍，楼主辛苦，真如楼主所说，工程说大不大说小不小，其所需设备小玩家可能都不具备，也只好看看了

作者: 8139 时间: 2021-8-11 15:23
看上楼主的普源了:lol:

作者: 8139 时间: 2021-8-11 15:23

qrut 发表于 2021-8-11 11:18
ad9833看了一下资料应该支持方波，就输出带宽应该很可怜，我感觉都不如正弦加一级比较器整形来的好，我买 ...

球球的dds是哪个型号的？

作者: qrut 时间: 2021-8-11 15:32

8139 发表于 2021-8-11 15:23
球球的dds是哪个型号的？

这款https://www.mydigit.cn/thread-71-1-1.html～

作者: maijinzhi 时间: 2021-8-11 15:41
总体成本还不算贵，ad9833也就十几块钱，单片机不是常用型号

作者: 石墨 时间: 2021-8-11 16:57
高科技精华贴

楼主在昌平？

作者: 我不是小连 时间: 2021-8-11 17:47
期待有成品可购买的

作者: gu_572101993 时间: 2021-8-11 19:06
连硬件带软件一起玩的，就是牛人，此贴必顶。

作者: mhtlov 时间: 2021-8-11 19:41
这个坑，非常伟大

作者: 8139 时间: 2021-8-11 19:54

石墨发表于 2021-8-11 16:57
高科技精华贴

楼主在昌平？

然后准备上门自提一个？:lol:

作者: ploestar 时间: 2021-8-11 20:00
好牛逼的样子

作者: huig 时间: 2021-8-11 21:51
不错不错，非常棒的设计，留存备用以便需要谢谢

作者: 2545889167 时间: 2021-8-11 22:57

maijinzhi 发表于 2021-8-11 15:41
总体成本还不算贵，ad9833也就十几块钱，单片机不是常用型号

这个单片机是红遍大江南北的stm8s103/003的马甲呀！

作者: 2545889167 时间: 2021-8-11 23:01

qrut 发表于 2021-8-11 11:18
ad9833看了一下资料应该支持方波，就输出带宽应该很可怜，我感觉都不如正弦加一级比较器整形来的好，我买 ...

这个芯片输出的正弦和锯齿波幅度是0~0.6V.但是输出方波是0~3.3V.根本没法在后级处理里面统一

作者: qrut 时间: 2021-8-11 23:05

2545889167 发表于 2021-8-11 23:01
这个芯片输出的正弦和锯齿波幅度是0~0.6V.但是输出方波是0~3.3V.根本没法在后级处理里面统一 ...

统一了也没用，带宽必定及其有限～

作者: 2545889167 时间: 2021-8-12 01:32

qrut 发表于 2021-8-11 23:05
统一了也没用，带宽必定及其有限～

没必要强行追求高频的方波一般都是正弦波的十分之一以下才好用

作者: ws1-1 时间: 2021-8-12 04:43
谢谢分享！

作者: rogerllg 时间: 2021-8-12 12:47
又出大作了,赞~

作者: hzw6834 时间: 2021-8-12 12:49
工程巨大，一个字：牛

作者: haohaott 时间: 2021-8-12 16:47
你好砖家，请问能搞成1500MHz的么？

作者: 2545889167 时间: 2021-8-12 22:05

haohaott 发表于 2021-8-12 16:47
你好砖家，请问能搞成1500MHz的么？

显然不能哦

作者: jlhgold 时间: 2021-8-13 08:53
可以考虑加个比较器这样能输出方波:lol:

作者: cat_li 时间: 2021-8-14 12:35
这个厉害了

作者: 2545889167 时间: 2021-8-15 14:47

jlhgold 发表于 2021-8-13 08:53
可以考虑加个比较器这样能输出方波

这样就需要多路选择器了，模拟部分会弄得很复杂

作者: ljlun 时间: 2021-8-15 15:14
做得相当不错，网上撸过任意波形发生器，就是贵点

作者: 安徽亳州电子 时间: 2021-8-17 08:28
这个低频做次声波武器不错，外加信号放大功率驱动后直接秒掉广场舞聚集，而且神不知鬼不觉。

作者: ch104517745 时间: 2021-8-18 16:32
这个手艺。真不错哦。

作者: 阿赖 时间: 2021-8-18 18:16
太牛了，怎么学习这些知识呢？

作者: 2545889167 时间: 2021-8-18 21:59

安徽亳州电子发表于 2021-8-17 08:28
这个低频做次声波武器不错，外加信号放大功率驱动后直接秒掉广场舞聚集，而且神不知鬼不觉。 ...

哈哈哈哈有点用

作者: 2545889167 时间: 2021-8-18 22:01

阿赖发表于 2021-8-18 18:16
太牛了，怎么学习这些知识呢？

千古电路一大抄

作者: sharehej 时间: 2021-8-19 09:55
楼主牛逼！期待早日出套件！:praise:

作者: 小兔乖乖呢 时间: 2021-8-19 12:24
腻害，辛苦写这么详细了

作者: szset99 时间: 2021-8-19 16:03
如果没有m币的，请积极回帖

作者: keye 时间: 2021-8-19 17:03
漂亮，图文并茂

作者: liangxin22 时间: 2021-8-19 18:16
这种可以用于步进电机的控制吗:loveliness:

作者: 2545889167 时间: 2021-8-21 00:32

liangxin22 发表于 2021-8-19 18:16
这种可以用于步进电机的控制吗

不可以哦，步进电机控制可比这个简单多了

作者: 2545889167 时间: 2021-8-22 13:38

sharehej 发表于 2021-8-19 09:55
楼主牛逼！期待早日出套件！

套件就算了，屏幕没备货

作者: wlxpc 时间: 2021-8-24 11:27
请教下楼主, U6B AD8042的作用主要是考虑做隔离输出吗? 还是有其他设计考虑?
VPOS和VGAIN的设计: 这颗MCU的规格书貌似没看到有DAC? 请问是用PWM调占空比实现的吗? PWM频率设为多少比较合适??

作者: 2545889167 时间: 2021-8-24 15:52

wlxpc 发表于 2021-8-24 11:27
请教下楼主, U6B AD8042的作用主要是考虑做隔离输出吗? 还是有其他设计考虑?
VPOS和VGAIN的设计: 这颗MCU的 ...

ad8042用来加偏置电压。
用的pwm 速度10k

作者: zhaocz 时间: 2021-8-25 00:31
太牛了，就是M币受不起啊。

作者: wlxpc 时间: 2021-8-25 10:25

2545889167 发表于 2021-8-24 15:52
ad8042用来加偏置电压。
用的pwm 速度10k

加偏置电压只要U6A就行了吧, 后面还加了一个U6B, 是为了隔离+反向吗?

作者: caohuihu 时间: 2021-8-28 00:09
666666厉害。。。

作者: 超强电子科技 时间: 2021-8-28 10:11
好东西学习了 :lol::lol:

作者: dos565 时间: 2021-8-29 23:15
牛！:praise:

作者: ATOP设计幸福 时间: 2021-8-30 10:04
虽然看不懂，感觉还是很高大上的:praise::praise::praise:

作者: 2545889167 时间: 2021-8-30 23:43

wlxpc 发表于 2021-8-25 10:25
加偏置电压只要U6A就行了吧, 后面还加了一个U6B, 是为了隔离+反向吗?

主要是剩着一路运放也没处用，就干脆把反向反回来了

作者: djloory 时间: 2021-8-31 01:45
学习了，楼主大神级人物啊！

作者: 2545889167 时间: 2021-9-16 10:07

dos565 发表于 2021-8-29 23:15
牛！

感谢支持

作者: Facbit 时间: 2023-4-10 16:59
太猛了，学习一下

作者: 309919807 时间: 2023-12-23 15:42
厉害哦

作者: wfy2008 时间: 2024-2-6 17:14
大佬是全能型选手，啥都会。！

作者: 张大虾 时间: 2024-12-7 16:16
真的很使用，感谢哥哥

欢迎光临数码之家 (https://www.mydigit.cn/)