AD9850 #3 – Funktionsgenerator (Modul)

Wie im letzten Beitrag angekündigt, habe ich ein eigenes Modul für den AD9850 entworfen. Dieses funktioniert in der Revision 0.03 bereits ausgezeichnet, sodass ich es hier vorstellen möchte. Vorweg folgendes: Jitter sind kein Problem mehr, genau so wenig wie doppelte Flanken im TTL-Signal. TTL- und Sinussignal funktionieren problemlos bis 40 MHz, das analoge Rechtecksignal bis ca. 5 MHz, danach wird es langsam dreieckig.

Wenn ihr einen leistungsfähigen, aber trotzdem einfachen und kostengünstigen, Funktionsgenerator bauen wollt, seit ihr mit dem Modul gut beraten. Schaltpläne, Layout usw. ist natürlich alles als Download vorhanden und kann privat gern nachgebaut werden.

Schaltplan

Der AD9850 ist größtenteils gemäß Datenblatt beschaltet. Q2 stellt den 125 MHz Basistakt zur Verfügung. Der integrierte Komparator bekommt als Eingangssignal einmal das gefilterte Sinussignal (Z_OUT) und eine Gleichspannung zur Einstellung des Tastverhältnisses. Letztere wird mit dem RC-Filter aus R3, C23, C24 und C25 stark gefiltert, um die beim China-Modul beobachteten doppelten Flanken zu vermeiden.

Das Ausgangssignal (IOUT) vom AD9850 wird dem Sinusfilter zugeführt. Dieser ist als elliptischer Tiefpassfilter 7. Ordnung realisiert und filtert die auftretenden Frequenzen oberhalb von 40 MHz heraus. Die erste Oberschwingung entsteht bei Fclk – Fmax = 85 MHz, deshalb ist die 1. Polstelle des Frequenzganges des Filters auf ca. 85 MHz ausgelegt.

Frequenzgang Modul Rev. 0.03 (Ideal)

Das gefilterte Sinussignal geht auf IC2, einen integrierten Analogschalter. Dieser gibt wahlweise das Sinussignal oder ein Rechtecksignal auf den Ausgangsverstärker.

Das Rechtecksignal wird vom AD9850 durch den integrierten Komparator generiert und wird zwecks Verbesserung der Flankensteilheit und Entkopplung auf IC1 gegeben. IC1 stellt zum einen das Signal für den TTL-Ausgang bereit, zum anderen wird über den Spannungsteiler R13, R14 das Eingangssignal für den Verstärker erzeugt. QOUTB vom AD9850 wird einmal zusätzlich invertiert, somit ist der TTL-Ausgang phasengleich zum Analogausgang. Der TTL-Ausgang ist standardmäßig nicht mit einer Impedanz abgeschlossen, durch Auftrennen der Leiterbahn unter R15 und Bestückung mit einem Widerstand nach Wahl ist das aber problemlos möglich. Zu beachten ist hierbei aber, dass IC1 keine Last von 100 Ω treiben kann!

U2 verstärkt das schwache Signal vom DDS-Chip und erzeugt einen einstellbaren Ausgangspegel bis zu ± 4 Vs bzw. ± 1,6 Vs bei Leistungsanpassung an 50 Ω. Die Amplitude und der Offset können mit den entsprechenden Gleichspannungen an „Gain“ und „Offset“ eingestellt werden. Beide Gleichspannungen werden durch einen RC-Tiefpass gefiltert. Der Ausgang des Verstärkers ist mit 50 Ω abgeschlossen und kann problemlos 100 Ω treiben. Mit R8 kann der Offset der Ausgangsstufe des LMH6503 kompensiert werden.

Als Spannungsversorgung werden ± 5 V benötigt. Die digitale Betriebsspannung wird mit L4 und L5 von der analogen Versorgung entkoppelt.


Layout

Die größte Schwierigkeit beim Entwurf des Moduls war nicht der Schaltplan oder die Berechnung des Filters, sondern das Layout. Hier müssen nicht nur alle Bauteile platziert und verbunden werden, sondern es müssen auf HF-Eigenschaften der Signale, eine möglichst durchgehende Massefläche, Übersprechen von Signalen und vieles mehr geachtet werden. Analog Devices sieht für den AD9850 eine 4-Layer Platine mit Masse und + 5 V Innenlayer vor. Das lässt sich im Hobbybereich aber weder finanziell noch vom Aufwand her umsetzen. Daher habe ich viel Zeit und Mühe investiert, um eine 2-lagige Platine zu entwerfen, welche die Anforderungen ebenfalls erfüllt.

Allerdings ist es bei den Bauteilgrößen schwierig, so eine Platine im Keller zu ätzen. Deshalb habe ich den Platinenservice von smart-prototyping.com in Anspruch genommen. Für 10 Platinen ist der Preis unschlagbar und die Qualität ist mit der von namenhaften europäischen Herstellern vergleichbar. Lediglich für den Versand muss man etwas Zeit einplanen.

Die Bestückung ist mit etwas Lötpaste und einer preisgünstigen Heißluftstation, sowie einem feinen Lötkolben und Pinzetten problemlos machbar, wobei der Lötstopplack sehr vorteilhaft ist.

Zur Abschirmung der Schaltung setze ich ein RF-Gehäuse von Teko ein, welches direkt mit auf die Platine gelötet wird. Ob dies wirklich notwendig ist, bzw. ob mit der Abschirmung ohne zusätzliches Gehäuse die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten werden, kann ich nicht beurteilen. Hier ist jeder selbst verantwortlich, der ein solches Modul nachbaut!

Die drei Befestigungslöcher sind auf Schaltungsmasse gelegt, können aber durch Auftrennen der Leiterbahnen unter SJ1 – SJ3 potentialfrei gemacht werden, je nach dem wie und wo das Modul eingesetzt werden soll.

Ausgangssignale

Gemessen wird das analoge Ausgangssignal (Ch1, gelb) mit einem 50 Ω BNC-Kabel und 50 Ω Abschlusswiderstand am Oszilloskop, daher nur der halbe Ausgangspegel gegenüber dem Leerlauf. Das TTL-Signal (Ch4, blau) wurde direkt an der Buchse mit einem Tektronix 10:1 Tastkopf mit BNC-Adapter abgegriffen.

Sinus + TTL 100 kHz

Sinus + TTL 100 kHz (Hüllkurve)

Sinus + TTL 1 MHz

Sinus + TTL 20 MHz

Sinus + TTL 20 MHz (Hüllkurve)

Sinus + TTL 40 MHz

Sinus + TTL 40 MHz (Hüllkurve)

Rechteck + TTL 5 MHz

Rechteck + TTL 10 MHz

Rechteck + TTL 40 MHz

Wie man auf den Screenshots sieht, ist das TTL-Signal bis einschließlich 40 MHz problemlos zu verwenden. Das Sinussignal ebenfalls, wobei man ab ca. 20 MHz eine Reduzierung des Maximalpegels akzeptieren muss. Das analoge Rechtecksignal wird auf Grund der Bandbreitenbegrenzung des Spannungsteilers R13, R14, IC2 und des Ausgangsverstärkers bei hohen Frequenzen zunehmend dreieckig. Ich würde sagen, dass man es bis ca. 5 MHz noch als Rechteck bezeichnen darf und problemlos verwenden kann.

Jitter im Rechtecksignal sind nur in sehr geringem Umfang bei > 20 MHz feststellbar, doppelte Flanken habe ich keine mehr finden können.

Ich halte das Modul für gelungen, es kann sich aber anhand der Ergebnisse gerne jeder selbst eine Meinung bilden. Über Kommentare würde ich mich natürlich freuen.

Bauteile

Die notwendigen Bauteile für einen Nachbau sind privat nicht ganz einfach zu beschaffen. Einen AD9850 und den Oszillator lötet man am besten mit Heißluft von einem China-Modul herunter, diese gibt es für kleines Geld bei bekannten Online-Auktionshäusern.

Der LMH6503 ist wahrscheinlich das größte Problem, für einen Prototypen kann man es mit Samples direkt von Texas Instruments versuchen. Alternativ ist er bei mouser.de verfügbar, aber nicht ganz billig.

Die restlichen Bauteile bekommt ihr beispielsweise bei Reichelt oder TME. Eine Bauteilliste mit Bestellnummern ist im Download enthalten.

Ansteuerung

Zur Ansteuerung des Modules benötigt man einen Mikrocontroller mit 5 V TTL Ausgängen (ggf. auch über Pegelwandler), entweder mit einem 8-Bit Dateninterface und 4 Steuerleitungen, oder einem SPI-Interface + Steuerleitungen. Ich empfehle einen ATmega in Kombination mit meiner C-Bibliothek.

Zusätzlich benötigt man für die Offset-, Gain- und Duty-Cycle-Einstellungen 3 Gleichspannungen. Diese können entweder über einfache Potentiometer und Widerstände aus der Betriebsspannung oder über DA-Wandler mit entsprechender Ausgangsbeschaltung erzeugt werden.

Steckerbelegung X3:

  1. Waveform: Sinus/Rechteck (TTL)
  2. Offset: 0 … +1 V Gleichspannung
  3. GND
  4. Duty-Cycle: +0,1 … +0,9 V Gleichspannung
  5. D1
  6. D0
  7. D3
  8. D2
  9. FQ_UD (Frequency Update)
  10. W_CLK (Word Load Clock)
  11. D4
  12. Reset
  13. D6
  14. D5
  15. D7 (auch Serial Load)
  16. GND
  17. +5 V
  18. +5 V
  19. – 5V
  20. Gain: -1 … +1 V, -1,1 V für Offsetabgleich

Maße

Download “AD9850 Modul” ad9850_dds-functiongenerator rev. 0.03.zip – 38-mal heruntergeladen – 413 KB

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