Схема. Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS

Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 1       В отличие от подобных устройств, собранных на относительно простых микросхемах стереомодуляторов, например ВА1404 [1], предлагаемое обладает существенно более высоким качеством передачи звукового сигнала, стабильностью несущей частоты и формирует комплексный стереосигнал с более чистым спектром. Кроме того, отсутствует задающий генератор с ЧМ на варикапах, который обладает «микрофонным» эффектом. Высокие параметры сигнала достигаются без настройки и практически не ухудшаются с течением времени.

Основой разработки послужило описание аналогичного устройства [2]. Конструкция была модернизирована и дополнена. Применён более производительный цифровой сигнальный процессор, благодаря чему введена цифровая фильтрация входного аудиосигнала и повышена частота дискретизации, что позволило повысить качество сигнала и разделение каналов. Кроме того, применена микросхема DDS (синтезатора частоты) с более высокой частотой дискретизации.

Основные технические характеристики
Диапазоны рабочих частот, МГц……………………..65…74 и 87,5…108
Шаг перестройки несущей частоты, кГц……………30(50)
Максимальная девиация несущей частоты, кГц ….±197
Выходное напряжение на нагрузке 50 Ом, В ………0,1
Номинальное напряжение входного сигнала, мВ …750
Диапазон входных частот, Гц…………………………20…15000
Разделение стереоканалов, дБ, не менее………….55
Напряжение питания, В ……………………………….7…10
Потребляемый ток, мА ………………………………..300
Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 2
Схема модулятора показана на рис. 1. Стереофонический сигнал, поступающий на его вход (гнездо XS1), проходит через RC-цепи частотных предыскажений R1C2 и R2C3 и затем усиливается двухканальным усилителем на ОУ DA3.1 и DA3.2. После преобразования в АЦП DD2 (с частотой дискретизации 96 кГц) цифровой код по шине SPI поступает в цифровой сигнальный процессор DD3, в котором осуществляются фильтрация сигналов в цифровом ФНЧ с частотой среза 15 кГц и передискретизация с тактовой частотой 384 кГц. Для каждого полученного отсчёта проводится подсчёт значения комплексного стереосигнала (в режиме «Стерео»), на основе которого вычисляется слово настройки частоты Frequency Tuning Word (FTW), определяющее значение частоты, которое в данный момент должно быть на выходе синтезатора.
Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 3
По шине SPI полученные данные поступают в синтезатор частоты DD5 На его выходе формируется комплексный ЧМ стереосигнал с пилот-тоном (стандарт ETS 300 384, рекомендация ITU-R BS.450-3 п. 2.2), который после фильтрации в полосовом пьезокерамическом фильтре Z1 поступает на выход устройства (гнездо XW1). В режиме «Моно» передискретизации сигнала не происходит, и на основе каждого поступившего отсчёта с частотой дискретизации 96 кГц производится вычисление FTW. Сигналы каналов в этом режиме просто суммируются. Тактовый генератор с кварцевой стабилизацией частоты для АЦП DD2 и синтезатора DD5 собран на логическом элементе DD1.1, элементы DD1.2, DD1.3 — буферные.
Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 4
В сигнальном процессоре DD3 объединены функции обработки сигнала, управления режимами и их индикацией на ЖК индикаторе HG1, а также сохранения настроек в микросхеме энергонезависимой памяти DD4. На ЖК индикаторе отображаются значение несущей частоты и пиковая девиация частоты в килогерцах, а при входе в меню (при нажатии на кнопку SB1) — режим, в котором происходит их изменение. При этом можно установить рабочую частоту и переключать режим «Стерео» или «Моно». Изменение параметров осуществляют энкодером (валкодером) S1. Если после входа в меню какой-либо параметр был изменён, при выходе из него все изменения сохраняются в энергонезависимой памяти. При последующем включении устройства они будут считаны из памяти и использованы для работы. Применение отдельной микросхемы памяти DD4 вызвано небольшим ресурсом циклов стирания— записи энергонезависимой памяти процессора DD3. Его программирование проводят по шине USB (при этом дополнительного программатора не требуется), для этой цели на микросхеме DD6 собран узел преобразования интерфейсов.

После подачи питающего напряжения на ЖКИ появляются значения текущей несущей частоты в мегагерцах (по умолчанию 87,5 МГц) и буквы St, свидетельствующие о работе в режиме «Стерео».
Через несколько секунд буквы St сменятся цифрами, показывающими девиацию частоты в килогерцах.
Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 5      Для изменения параметров следует нажать на кнопку SB1. При этом на свободных знакоместах ЖКИ появится изображение знака, условно означающего, какой пункт меню выбран. Повторное нажатие на кнопку приведёт к выбору следующего пункта меню, а после перебора всех пунктов устройство возвратится в исходное состояние. Значение выбранного параметра изменяют вращением ручки энкодера S1. Изменения сохраняются в памяти после повторного нажатия на кнопку.

В режиме F изменяют несущую частоту. При достижении 108 МГц последующее вращение ручки валкодера приведёт к переходу на частоту 65 МГц, а при достижении частоты 74 МГц — на частоту 87,5 МГц. Аналогично изменяется частота и при ее уменьшении, только в обратном порядке.
В режиме меню «=» переключают режим работы — «Стерео» или «Моно». Вращение энкодера по часовой стрелке приведёт к установке режима «Стерео», а против — «Моно». О сделанном выборе свидетельствует наличие или отсутствие букв St в левой части ЖКИ.

При выходе из меню в трёх левых разрядах индицируется девиация частоты. Дискретность показаний (1 кГц) определяется разрядностью ЖКИ, округление происходит в меньшую сторону. Номинальная девиация в соответствии со стандартом ЧМ радиовещания — ±75 кГц. Максимальная девиация, которую можно установить, — ±197 кГц. В случае превышения этого значения происходит ограничение сигнала, что приводит к появлению искажений. В режиме «Стерео» при отсутствии входного сигнала цифры 006 в левой части ЖКИ означают наличие в выходном сигнале устройства пилот-тона.
Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 6
В устройстве применены резисторы МЛТ, С2-23 (R16—R19, R28, R31, R33) и для поверхностного монтажа — РН1-12 типоразмера 1206 (R3—R5, R14, R26, R27, R34, R38), остальные — типоразмера 0805. Оксидные конденсаторы — К50-35 или импортные, остальные — керамические для поверхностного монтажа типоразмера 0805. ОУ DA3 должен быть из числа Rail-to-rail, т. е. обеспечивать усиление сигнала размахом до 5 В при питании 5 В. Применение других ОУ приведёт к искажению сигнала, а увеличение питания ОУ может привести к повреждению входных цепей АЦП DD2. ОУ AD8542ARZ заменим на LMV358ID, сигнальный процессор TMS320F2801PZA — на TMS320F2802PZA или TMS320F2806PZA. Для каждого из них разработаны свои программы, которые находятся в папке Program.

Микросхема памяти M24C01-WMN6P заменима на FM24CL04-G, а преобразователь интерфейса FT232BL — на FT232BM. Применение логической микросхемы 74HCU04D предпочтительно, но это может быть и 74HC04D. Возможные замены стабилизаторов напряжения: LM1117-1.8 — LM1117DT-1.8, L78L33 — L78L33ACD, 7805 — КР142ЕН5А. Взамен ЖКИ TIC9153 (9 разрядов) можно применить TIC8213 (8 разрядов), для каждого из них имеются свои файлы прошивок. Энкодер — РЕС11, РЕС12 фирмы BOURNS со встроенной кнопкой. XS1 — вилка PLS-03, установленная на плате, к ней с помощью розетки PBS-03 экранированными проводами подключают источник входного сигнала. Гнездо XW1 — BJ-7222, BJ-7223 (кабельная розетка серии F), ХР1, ХР2 — штыри PLS, XS2 — USB-BFR. В качестве перемычек S2 и S3 использованы джамперы серии MJ и штыри PLS, установленные на плате.
Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 7
Широкополосный симметрирующий трансформатор Т1 намотан на бинокулярном магнитопроводе размерами 12×7 мм из феррита 50ВН (от симметрирующего устройства телевизионной комнатной антенны). Обмотка содержит 4 витка сложенного втрое провода ПЭЛ или ПЭВ-2 диаметром 0,25…0,33 мм. После намотки выводы соединяют в соответствии со схемой. Выходной фильтр ВЧ — GFWB3, но его можно заменить ФНЧ на LC-элементах, схема которого показана на рис. 2. Катушка содержит 6,5 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,6 мм, намотанного виток к витку на оправке диаметром 5 мм. ФНЧ можно разместить на плате устройства.

Большинство элементов смонтированы на плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм, чертёж которой показан на рис. 3. Её размеры (84,5×77,5 мм) выбраны с целью размещения в металлическом корпусе от блока СКМ-24 телевизоров старых типов. Корпус предохраняет плату от механических повреждений, наводок и статического электричества. Монтаж — двусторонний, со стороны печатных проводников установлены элементы для поверхностного монтажа (рис. 4), а с другой — остальные элементы и проволочные перемычки (рис. 5). Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 6 и рис. 7. На стенках корпуса установлены входные и выходные разъёмы, а также разъём питания. ЖКИ и вал кодер расположены вне корпуса и подключены к плате проводными шлейфами (рис. 8).
Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 8
Конструктивно в устройстве сделаны два общих провода: «аналоговый» и «цифровой», которые объединены в точке подключения вывода 2 стабилизатора DA1. Так же раздельно питающие напряжения поступают на аналоговые, цифровые узлы и кварцевый генератор. Минимальное напряжение питания устройства — 7,2 В (можно применить батарею из двух литиевых аккумуляторов по 3 6 В и ёмкостью не менее 600 мА·ч). При установке стабилизатора DA1 на теплоотвод площадью не менее 10 см2 напряжение питания можно повысить до 14В (питать от бортовой сети автомобиля или от нестабилизированного блока с выходным напряжением 8…12 В).
Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 9
Перед сборкой следует тщательно проверить плату на отсутствие замыканий между печатными проводниками. Монтаж начинают с установки перемычек из лужёного медного провода диаметром 0,1…0,15 мм. Микросхему AD9859 следует монтировать с помощью фена [3]. Дополнительно выводы пропаивают паяльником с тонким жалом Если такой отсутствует, жало «обычного» следует заточить, как показано на рис. 9.
Схема Цифровой стереофонический ЧМ модулятор на основе DDS 10      Налаживание начинают с контроля всех питающих напряжений. Затем проверяют работу кварцевого генератора. Подбирая резистор R6 в сторону увеличения сопротивления до 2…2,2 кОм, проверяют устойчивость работы генератора. Чем больше сопротивление этого резистора, тем выше стабильность частоты и чище спектр сигнала генератора. Затем проверяют работоспособность преобразователя интерфейса (он сконфигурирован для питания от USB-порта) и устанавливают на компьютер его драйвер Virtual COM Port Drivers, который можно скачать по адресу   www.ftdichip.com/Drivers/VCP.html   Контроллер должен определиться автоматически и после установки драйвера в диспетчере устройств появится виртуальный СОМ-порт. В его свойствах необходимо задать имя порта как COM4. Затем устанавливают скорость передачи — 115200 бит/с.

После этого приступают к программированию процессора DD3. Это можно осуществить двумя путями — через встроенный USB-порт либо через JTAG эмулятор XDS100, XDS510, XDS560 или аналогичный, если таковой имеется в наличии. В первом случае должна быть установлена перемычка S2 и удалена S3, во втором — обе удалены. Программирование средствами эмулятора происходит с помощью программы Code Composer Studio, особенностей не имеет, поэтому в статье не рассматривается.
Для программирования по USB необходимо скачать и установить программу SDFIash (   www.emulators.spectrumdigital.com/utilities/sdflash/   ) и драйверы к ней для работы через интерфейс RS232. После установки добавляют в файл sdopts.cfg, расположенный в папке c:windowssystem32, содержимое файла AddToSdOpts.cfg (после этого появляется ярлык на рабочем столе). Запускают программу и выбирают проект, соответствующий типу процессора из папки C:CCStudio_v3.3specdigsdflashmyprojectssdf 28xx_v3_1_serial и выбирают пункт Project->Settings (рис. 10).

В открывшемся окне (рис. 11) на вкладке   Target   в   поле   Emulator Address/id выбирают номер порта, который был ранее установлен в свойствах системы, в данном случае — С4. А на вкладке Programming в строке Flash Data File выбирают файл, который нужно поместить в память микросхемы, и нажимают на экранную кнопку ОК. При программировании по USB возможно довольно длительное ожидание соединения устройства с ПК — до нескольких минут. После завершения программирования питание устройства отключают и устанавливают перемычки S2 и S3. При последующем включении питания устройство должно работать в штатном режиме, а на индикаторе — появиться соответствующие символы.

Прилагаемые файлы:   program.zip

ЛИТЕРАТУРА
1. Чистяков В. Микромощный стереопередатчик. — Радио, 2007, № 3, с. 18.
2. AN-543. Application note. — <   www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-543.pdf   >.
3. Direct Digital Synthesizer AD9859. —   www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9859.pdf

Д. СЕРИК, г. Владимир
«Радио» №№1-2 2012г.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *