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제 목 33. DDS와 PIC를 사용한 주파수 특성 측정기(HW편)
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                  DDS로 정현파를 출력해, 로그 앰프로 레벨 측정을 해, PIC로 그 데이터
                  (을)를 액정 표시기에 표시하는 것과 동시에 PC에 시리얼 통신으로 전송 해
                  PC의 소프트로 주파수 특성으로서 표시합니다. 10~10 MHz의 범위를
                  +20 dB~-60 dB의 레벨 측정을 할 수 있습니다.

 


DDS와 PIC에 의한 주파수 특성 측정기(HW편)

DDS로 정현파를 출력해, 로그 앰프로 레벨을 측정합니다.
그 데이터를 PIC로 액정 표시기에 표시하는 것과 동시에 PC에 전송 해,
PC의 프로그램으로 주파수 특성으로서 표시, 보존합니다.



【개요】

 시판 킷의 DDS 유니트에 PIC를 조합한 정현파 발신기와 로그 앰프와 PIC16F876를
사용한 데시벨 측정기를 조합해, 10 Hz에서 10 MHz까지의 범위에서 주파수 특성을 측정
하기 위한 측정기를 만들어 보았습니다.
이것에 PC를 시리얼 인터페이스로 접속해, 주파수 특성을 그래프 표시할 수 있는 측정기
(이)가 완성됩니다.
이번 제작의 포인트는 고성능인 로그 앰프 IC를 입수할 수 있던 것입니다. 이 IC는, 90 dB라고 한다
매우 넓은 다이나믹 레인지와 500 MHz라고 하는 고주파까지 측정할 수 있다고 하는 뛰어나고 것입니다.


좌도는 세라믹 필터의 특성을 측정하고 있는 곳(중).
쉴드(shield)선으로 외부와의 접속을 합니다만, 이 쉴드(shield)선을
길게 하면(자) 측정기 자체의 주파수 특성이 악화되기 때문에
주의가 필요합니다.




밑그림은 본측정기로 측정한 예입니다. 각각 확대 표시할 수 있습니다.













 범용 유효증폭기 LM662의 주파수 특성      455 kHz 세라믹 필터의 특성




 스위칭 필터 MF5의 주파수 특성      MF5의 립 오름 특성


【기능과 사양】

 이번 주파수 특성 측정기의 사양은 아래와 같이 되어 있습니다.

 기능과 사양
 (1) 주파수 특성 측정(리모트)
   PC로부터 리모트 제어해, 지정된 주파수 범위를 지정 잘게 썰기로 출력해,
   피측정 장치의 출력 레벨을 계측 해 대수 그래프로 표시한다.
   
   측정 주파수 범위  :10Hz ~ 10MHz (을)를 1 Hz단위로 지정 가능
   측정 주파수 잘게 썰기  :1 10년간을 몇분 비율로 측정하는지를 지정(최저 1 Hz단위)
   측정 채널수 :2 채널
   측정 신호 레벨  :-60dB ~ 20dB 분해가능 1024 레벨

 (2) 레벨 변동 특성 측정(리모트)
   PC로부터 리모트 제어로 지정한 일정한 주파수로 피측정 장치의 출력 레벨
   변동을 장시간 측정해 그래프 표시한다. 전원 투입등에서의 립 오름 특성 등도
   측정 할 수 있습니다.

   측정 주파수 범위  :10Hz ~ 10MHz 로 1 Hz단위로 지정 가능
   출력 레벨    : 약-45dB ~ 15dB 볼륨에 의해 가변
   측정 간격 시간   : 0.1초, 1초, 1분의 3 종류
   측정 시간     :상기 시간 간격으로 최대 600 샘플까지
   측정 채널수 :2 채널
   측정 신호 레벨  :-60dB ~ 20dB 분해가능 1024 레벨
  

 (3) 수동 주파수 출력과 레벨 측정
   로터리 엔코더의 회전에 의해 주파수를 설정해, 액정 표시기에 의해 레벨 측정
   설정 주파수 범위  :10Hz ~ 10MHz  1/100 잘게 썰기로 설정
   출력 레벨    : 약-45dB ~ 15dB 볼륨에 의해 가변
   측정 채널수 :2 채널
   측정 신호 레벨  :-60dB ~ 20dB 분해가능 1024 레벨


【전체 구성】


 본주파수 특성 측정기의 전체 구성은 밑그림과 같이 되어 있습니다. 전체는 크고,
정현파 출력 유니트와 신호 레벨 계측 유니트의 2개의 유니트로 나누어져 있습니다.




우선. 정현파 출력 유니트는, 시판 킷의 DDS 유니트로 정현파를 출력해, 그것을
고출력 유효증폭기로 증폭해 외부 출력으로 하고 있습니다. 출력 레벨 조정은 볼륨
만으로 가고 있습니다. (레벨 변환 회로도 포함하고 있습니다만 미사용입니다)

이 DDS가 출력하는 주파수 설정 제어에 PIC를 사용합니다만, 신호 레벨 측정 유니트의
PIC를 겸용해 1개의 PIC로 양쪽 모두를 제어하고 있습니다. 주파수 설정은, 수동이나 PC
(으)로부터의 리모트인가의 어느쪽이든으로 주파수를 가변할 수 있도록(듯이) 하고 있습니다. 어느 경우
에도 출력하고 있는 주파수를 액정 표시기에 상시 표시합니다.

수동때로는, 로터리 엔코더를 사용해 회전 방향에 의해 주파수가 업/다운할 수 있다
같게 합니다. 리모트때로는, PC와 시리얼 인터페이스로 접속해, 통신에
보다 자유롭게 주파수를 설정할 수 있도록(듯이) 합니다.

또 하나의 신호 레벨 계측 유니트는, 이번 입수한 로그 앰프 IC를 2개 사용해 2 장
네루의 레벨 측정을 가능하게 했습니다. 이 출력을 PIC16F876의 A/D변환 기능에 의해
10비트 정밀도로 측정해, dB데이터로 변환해 액정 표시기에 dB치로 표시함과 함께,
PC에 시리얼 통신으로 송신합니다.




【DDS 유니트】

 정현파를 출력하는 DDS 유니트는, 심장부는 Wellpine사의 DDS LSI(TC170C030AF)가
사용되고 있습니다. 조립 후의 외관은 밑그림의 사진과 같이 되어 있습니다.


시판 킷의 조립입니다만, 출력단의
필터를 변경할 필요가 있습니다.
또 이만큼으로 200 mA이상의 전류를
필요로 하므로 전원에는 여유가 필요합니다.


 이 IC의 내용은, 28비트의 원수-에 의한 위상 제어와 10비트의 정현파 생성 ROM로부터
구성되어 있습니다. 따라서, 18비트로 설정할 수 있는 주파수까지는, 10비트의 최고 정밀도의
정현파가 출력되므로, 매우 예쁜 파형이 출력됩니다.
한층 더 기본 클락은 최대 70 MHz까지 동작 보증되어 외부로부터의 주파수 설정은 26비트
까지 가능해지고 있으므로, 2의 28승의 약 67.10886 MHz의 클락을 사용하면, 2의 26승
( 약 17 MHz)까지 1 Hz단위로 설정해 출력할 수가 있습니다. 또, 이 때에는 1 Hz단위
그리고 2의 18승( 약 260 kHz)까지 10비트 정밀도의 파형이 출력됩니다.
그러나, 실제의 실용 한계는 출력 레벨, 파형의 예쁨 겨자라고, 2의 22승의 4 MHz 정도
(이)라고 생각해집니다. 이 때에는 6비트 정밀도의 파형이 되고 있습니다.
이번은 이것을 10 MHz까지의 힘껏으로 사용하기로 했습니다.
이 기본의 주파수 특성은 밑그림과 같이 되어 있습니다.


(이 특성에는 레벨 측정부의 특성도
포함하고 있습니다.
그렇지만 과연 10 MHz에서는 출력 레벨
하지만 낮다. )

 이 DDS 유니트의 출력 주파수 설정을 PIC로부터 실시하는 것입니다만, 이 구체적인 제어 방법은,
별페이지에 있기 때문에, 그 쪽을 참고로 해 주세요.
 PIC로부터는, 밑그림과 같이, 3비트의 디바이스 주소, 4비트의 커멘드, 26비트의 주파수
설정의 3개를, 클록 신호와 함께 시리얼 데이터로서 보냅니다. 그리고 마지막에 스트로브
신호를 출력하면 알려지고가 빗장 되어 커멘드로서 기능합니다. 이 커멘드에 의해 출력을 낸다
일을 할 수 있습니다.
이만큼의 제어만이기 때문에, DDS의 제어는 비교적 간단합니다.







【로그 앰프】

 이번 입수한 로그 앰프 전용 IC는 아날로그 디바이스사가 내고 있는 로그 앰프 시리즈의
안의 하나로, AD8307라고 하는 고성능인 IC입니다. 이것 1개로 DC-500 MHz까지의 신호를 직접
데시벨치에 비례한 직류 전압으로서 출력해 주므로, 이 출력을 직접 PIC의 A/D안녕
바타에의 입력으로 할 수가 있습니다.

이 AD8307의 사양 개요는 아래와 같이 되어 있습니다.

  품명   :AD8307
  측정 범위  :-75dB ~ +17dB 다이나믹 레인지 92dB
  주파수 범위:DC ~ 500MHz
  전원 전압  :2.7V ~ 5.5V 약 7.5mA
  직선성    :±1dB (25 mV/dB로 비례 출력)
  오프셋(offset)  :약 10 dB의 조정이 가능(Intercept로 불리는 파라미터)
  용도     :안테나 전력 측정, 수신 강도 측정, 레이더나 음파 탐지기
           스페아나, 멀티 미터(AC측정)

AD8307의 입력대 출력의 기본 특성은 밑그림과 같이 되어 있어, 단순하게 입력의 레벨의
데시벨치에 비례한 직류 전압이 출력되어 INT(Intercept) 단자로 오프셋(offset)의 조정이 성과
.     (아날로그 디바이스사 데이터 쉬트보다)






 그러나 이 로그 앰프를 그대로 사용한 것은, 오디오 대역의 측정에는 신호 레벨
하지만 너무 낮기 때문에, 데이터 쉬트에 참고 회로로서 게재되고 있는 20 dB의 게인 다운을
시킨 회로로 해,-70 ~ 10 dB의 실용 대역을, -50dB ~ +30 dB의 측정 범위로 해 사
있습니다. 이 변경 후의 회로는 밑그림과 같이 되어 있습니다.
로그 앰프의 출력부에 있는 콘덴서 0. 1μ은, 수 10 Hz이하의 낮은 주파수까지 측정했다
실 나무에는, 수μF의 대나무눈의 것으로 할 필요가 있습니다. 그렇게 하지 않으면 측정의 번에 값이 변동
해 버립니다. 즉 파형의 도중에 측정해 버리게 되기 때문에, 이것을 피하기 위해서(때문에),
대나무눈의 콘덴서로 적분 해 줄 필요가 있습니다.
또 입력부에 있는 22 pF의 콘덴서는 로그 앰프의 응답 주파수 상한을 결정하기 때문에
남아 큰 값에는 할 수 없습니다.





이 회로에는 추천 회로에 한층 더 추가해, INT(Intercept) 단자에 가세하는 전압에 의해
Intercept(오프셋(offset))를 조정할 수 있도록(듯이) 하고 있습니다.
이 로그 앰프를 사용하는에 해당되어, DC출력은 2.5 V를 상한으로 하기로 해, PIC의 A/D변환의
+Ref 단자에 2.5 V의 기준 전압을 입력해, 0 V~2.5 V의 범위를 10비트 풀로 사용할 수 있는 듯
(으)로 합니다.
 이렇게 하면(자) 직류 전압 Vdc(Volt)로부터 신호 레벨 Lv(dB)에의 변환은, 윗 그림 그래프의 INT=4. 0 V의
선을 사용하는 것으로 해, 이것을 20 dB쉬프트 시켜 보면, 출력이 0 Volt 때의 신호 레벨이―68 dB,
출력이 2.5 Volt때가 27 dB가 되므로, 결국 차식에서 변환할 수 있게 됩니다.

    Lv = (95/2.5)×Vdc - 68

이것을 PIC의 A/D변환치 Ad 로부터 요구하려면 , 2.5 Volt로 10비트 풀의 1023인 것으로부터,
하식과 같이 간단한 식에서 요구할 수가 있습니다. 이것을 PIC 중(안)에서 부동 소수점수(실수)로서
요구하고 있습니다.

    Lv = (95×Ad)/1024- 68 

이 로그 앰프의 아날로그 디바이스사의 관련 Web 사이트는 아래와 같이에 있습니다.
AD8307의 데이터 쉬트도 여기로부터 입수할 수 있습니다.

  http://products.analog.com/products_html/list_gen_105_2_1.html



【주파수 측정기 전체 회로】

이 주파수 특성 측정기의 전체 회로는 밑그림과 같이 되어 있습니다.






전원 회로는 5 V용과 8 V용의 2 종류를 공급할 필요가 있기 때문에, 탭 부착의 전원
트랜스를 사용해, 각각 반파 정류회로로 2 종류의 직류를 만들어 내고 있습니다.
외부 스윗치로서는, 전원 스윗치, 모드 전환 스윗치, 로터리 엔코더의 3 종류가
있습니다. 전원 스윗치는 전면 패널에는 스페이스가 이제 없었기 때문에 배면에 매달려라
했다.
 액정 표시기에는 휘도 조정의 가변 저항이 필요합니다만, 액정 표시기 본체에 직접 매달려라
했다. 또, 백 라이트 첨부의 액정 표시기로 해, 전원으로부터 직접 저항을 개입시켜 백 라이트
에 전원 공급하고 있습니다. 전류가 수 10 mA와 많기 때문에 470Ω을 2개 병렬로 하고 있습니다.
정현파 출력 유니트의 출력 가변용의 볼륨에의 배선은 크로스턱으로 출력이 샌다
의로, 쉴드(shield)선을 사용합니다.
밑그림이, 내부의 전체입니다. 소형 케이스이기 때문에 약간 붐비고 있습니다.







【정현파 출력 유니트 회로 구성】

 정현파 출력 유니트부의 회로는 밑그림과 같이 되어 있습니다. 그림중의 DDS 유니트는 시판
의 DDS 킷을 사용해, 출력 필터부를 변경해, 저항과 콘덴서에 의한 필터로 변경
하고 있습니다. 코일을 사용하면(자), 기생 발진 등 불안정한 동작을 하므로 저항을 사용하는 것이
안정으로 예쁜 출력이 됩니다.
 필터 정수는, 출력 impedance를, 오디오에서는 일반적인 600Ω으로 해,
8 MHz의 lowpass filter로 설정해 있습니다.
 이 DDS 유니트의 출력을 외부에 마련하는 가변 저항으로 레벨을 자유롭게 변경할 수 있도록(듯이) 했다
그리고, 고출력 유효증폭기로 증폭해 출력하고 있습니다. 이 유효증폭기는, 출력 전류가 100mA
이상 잡히므로, 낮은 impedance의 부하도 충분히 드라이브 할 수 있습니다. 이 유효증폭기 1개
만으로 출력부를 구성해 있습니다.
 게인은, 유효증폭기의 출력이 최대 5 Volt 이상 잡히도록(듯이), 약 8배로 설정해 있습니다.
또, 5 Volt의 출력을 비뚤어져 없게 증폭할 수 있도록(듯이), 전원 전압을 8 Volt로 하고 있습니다. 이
단전원으로 유효증폭기를 동작시키고 있습니다. 따라서 대용량의 콘덴서로 출력의 직류를
직접 접속하지 않게 하고 있습니다.
 또 시스템 전체의 5 Volt의 전원도 여기서 만들어 배포합니다. 이것은 DDS 유니트가
약 250 mA라고 하는 대전류를 필요로 하기 때문에, 대형의 1 A클래스의 3 단자 레귤레이터를 사용해
방열판도 붙입니다.





이 유니트는 기판으로 작성해, 밑그림과 같이 2층건물로 하고 있습니다. 위쪽에 있는 것이 DDS의
유니트의 킷입니다. 아래 쪽에는 출력 앰프와 5 V, 8 V의 3 단자 레귤레이터 회로를 실장해
있습니다.







【레벨 계측 유니트 회로 구성】

 레벨 계측 유니트부의 회로는 밑그림과 같이 되어 있습니다. PIC16F876를 중심으로 해,
로그 앰프가 2 회로, 2.5 Volt의 기준 전압 회로, RS232의 인터페이스 IC등이 실장
되고 있습니다.
PIC16F876의 입출력 핀에는 아래와 같은 것을 접속하도록(듯이) 하고 있습니다.

  PORT A :로그 앰프의 2 채널의 아날로그 입력
       +Ref에 2.5 Volt의 기준 전압
  PORT B :액정 표시기(외부에 연결기로 접속)
  PORT C :DDS 유니트의 제어 출력
       로터리 엔코더의 입력 회로(연결기로 외부 접속)
       수동/자동 모드 전환 스윗치 회로( 〃  )

기준 전압에는, 가장 잘 사용되고 있는, LM336라고 하는 기준 전압용의 IC를 사용합니다.
정확히 2. 5 V의 것이 있으므로 그대로 사용할 수 있습니다. 미조정의 단자가 있습니다만,
사용하지 말고, 로그 앰프의 Intecept의 조정으로 대용합니다.

RS232C의 인터페이스용 IC는 상투적인 것이므로 특히 설명은 불필요하겠지요.
로터리 엔코더의 입력 저항은 풀다운 할 필요가 있으므로 요주의입니다.

 

밑그림이 레벨 계측 유니트의 기판으로, PIC16F876를 중심으로 해 로그 앰프를 2개
, 나머지는 외부 접속 연결기를 몇 개 실장하고 있습니다.






【그 외 외관·실장】

아래와 같은 사진은 각각 실장 상황을 했던 것입니다.


전면 패널의 조작부입니다. 소형의 케이스
에 실장했기 때문에 붐비고 있습니다.



내부의 실장 상태입니다.
정면의 패널에 액정 표시기를 양면 접착 테이프
그리고 고정해, 유니트가 2 타이중앙에 실장되고 있습니다.
전면 패널 우측의 검은 것이 로터리 엔코더입니다.


배면 패널부입니다. 전원 트랜스와 전원 스윗치가
보입니다. 평활 회로는 전원 트랜스로부터 다이오드
(을)를 공중 배선하고 있습니다.





회로도, 패턴도의 IVEX용 파일은 아래와 같이를 다운로드해 사용해 주세요.
일괄 압축하고 있기 때문에 해동 후 WinDraft 또는 WinBoard로 봐 주세요.

  ★정현파 출력 유니트 기판 회로도
  ★정현파 출력 유니트 패턴도
  ★레벨 계측 유니트 회로도
  ★레벨 계측 유니트 패턴도

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