В данном проекте рассмотрим изготовление генератора синусоидального сигнала при помощи метода прямого синтеза (DDS-метод). Для реализации этого проекта нам не потребуется какого-либо дополнительного оборудования кроме самого контроллера Arduino. Частотный диапазон генератора от 0 до 16 кГц, с точностью до 1 мкГц! Данное устройство может пригодится не только для генерирования звуковых сигналов, но в тестовом и измерительном оборудовании радиолюбителя. Например в телекоммуникационном оборудовании DDS генератор можно использовать для ЧМ и ФМ модуляции (FSK и PSK).



DDS-метод

В программной части проекта, для реализации DDS метода, нам понадобится 4 вещи:
аккумулятор и tuning word, который в нашем случае состоит из двух long integer переменных;
таблица значений синусоидального сигнала (один период);
цифро-аналоговый преобразователь, который обеспечивается внутренним ШИМ Arduino (analogWrite);
генератор тактовых импульсов (используем внутренний hard-таймер от ATMega).
Большинство значащих байт аккумулятор используется для адресов таблицы синусоидального сигнала. Весь циклический процесс, работает по прерыванию от внутреннего тактового генератора.

Программное обеспечение

Для работы данного скетча на Arduino Diecimila или Duemilenove подключите потенциометр к аналоговому выводу 0 и к GND и +5В. Выход генератора находится на выводе 11, куда вы можете подключить активные колонки, или ФНЧ фильтр описанный ниже.

/*
 *
 * DDS Sine Generator mit ATMEGS 168
 * Timer2 generates the  31250 KHz Clock Interrupt
 *
 * KHM 2009 /  Martin Nawrath
 * Kunsthochschule fuer Medien Koeln
 * Academy of Media Arts Cologne
 
 */
 
#include "avr/pgmspace.h"
 
// table of 256 sine values / one sine period / stored in flash memory
PROGMEM  prog_uchar sine256[]  = {
  127,130,133,136,139,143,146,149,152,155,158,161,164,167,170,173,176,178,181,184,187,190,192,195,198,200,203,205,208,210,212,215,217,219,221,223,225,227,229,231,233,234,236,238,239,240,
  242,243,244,245,247,248,249,249,250,251,252,252,253,253,253,254,254,254,254,254,254,254,253,253,253,252,252,251,250,249,249,248,247,245,244,243,242,240,239,238,236,234,233,231,229,227,225,223,
  221,219,217,215,212,210,208,205,203,200,198,195,192,190,187,184,181,178,176,173,170,167,164,161,158,155,152,149,146,143,139,136,133,130,127,124,121,118,115,111,108,105,102,99,96,93,90,87,84,81,78,
  76,73,70,67,64,62,59,56,54,51,49,46,44,42,39,37,35,33,31,29,27,25,23,21,20,18,16,15,14,12,11,10,9,7,6,5,5,4,3,2,2,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,2,2,3,4,5,5,6,7,9,10,11,12,14,15,16,18,20,21,23,25,27,29,31,
  33,35,37,39,42,44,46,49,51,54,56,59,62,64,67,70,73,76,78,81,84,87,90,93,96,99,102,105,108,111,115,118,121,124
 
};
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
 
int ledPin = 13;                 // LED pin 7
int testPin = 7;
int t2Pin = 6;
byte bb;
 
double dfreq;
// const double refclk=31372.549;  // =16MHz / 510
const double refclk=31376.6;      // measured
 
// variables used inside interrupt service declared as voilatile
volatile byte icnt;              // var inside interrupt
volatile byte icnt1;             // var inside interrupt
volatile byte c4ms;              // counter incremented all 4ms
volatile unsigned long phaccu;   // pahse accumulator
volatile unsigned long tword_m;  // dds tuning word m
 
void setup()
{
  pinMode(ledPin, OUTPUT);      // sets the digital pin as output
  Serial.begin(115200);        // connect to the serial port
  Serial.println("DDS Test");
 
  pinMode(6, OUTPUT);      // sets the digital pin as output
  pinMode(7, OUTPUT);      // sets the digital pin as output
  pinMode(11, OUTPUT);     // pin11= PWM  output / frequency output
 
  Setup_timer2();
 
  // disable interrupts to avoid timing distortion
  cbi (TIMSK0,TOIE0);              // disable Timer0 !!! delay() is now not available
  sbi (TIMSK2,TOIE2);              // enable Timer2 Interrupt
 
  dfreq=1000.0;                    // initial output frequency = 1000.o Hz
  tword_m=pow(2,32)*dfreq/refclk;  // calulate DDS new tuning word
 
}
void loop()
{
  while(1) {
     if (c4ms > 250) {                 // timer / wait fou a full second
      c4ms=0;
      dfreq=analogRead(0);             // read Poti on analog pin 0 to adjust output frequency from 0..1023 Hz
 
      cbi (TIMSK2,TOIE2);              // disble Timer2 Interrupt
      tword_m=pow(2,32)*dfreq/refclk;  // calulate DDS new tuning word
      sbi (TIMSK2,TOIE2);              // enable Timer2 Interrupt
 
      Serial.print(dfreq);
      Serial.print("  ");
      Serial.println(tword_m);
    }
 
   sbi(PORTD,6); // Test / set PORTD,7 high to observe timing with a scope
   cbi(PORTD,6); // Test /reset PORTD,7 high to observe timing with a scope
  }
 }
//******************************************************************
// timer2 setup
// set prscaler to 1, PWM mode to phase correct PWM,  16000000/510 = 31372.55 Hz clock
void Setup_timer2() {
 
// Timer2 Clock Prescaler to : 1
  sbi (TCCR2B, CS20);
  cbi (TCCR2B, CS21);
  cbi (TCCR2B, CS22);
 
  // Timer2 PWM Mode set to Phase Correct PWM
  cbi (TCCR2A, COM2A0);  // clear Compare Match
  sbi (TCCR2A, COM2A1);
 
  sbi (TCCR2A, WGM20);  // Mode 1  / Phase Correct PWM
  cbi (TCCR2A, WGM21);
  cbi (TCCR2B, WGM22);
}
 
//******************************************************************
// Timer2 Interrupt Service at 31372,550 KHz = 32uSec
// this is the timebase REFCLOCK for the DDS generator
// FOUT = (M (REFCLK)) / (2 exp 32)
// runtime : 8 microseconds ( inclusive push and pop)
ISR(TIMER2_OVF_vect) {
 
  sbi(PORTD,7);          // Test / set PORTD,7 high to observe timing with a oscope
 
  phaccu=phaccu+tword_m; // soft DDS, phase accu with 32 bits
  icnt=phaccu >> 24;     // use upper 8 bits for phase accu as frequency information
                         // read value fron ROM sine table and send to PWM DAC
  OCR2A=pgm_read_byte_near(sine256 + icnt);   
 
  if(icnt1++ == 125) {  // increment variable c4ms all 4 milliseconds
    c4ms++;
    icnt1=0;
   }  
 
 cbi(PORTD,7);            // reset PORTD,7
}

Результат

Ниже представлена осциллограмма, на верхней части которой изображен ШИМ-сигнал на 11 выходе, а в нижней части этот же сигнал после фильтра низких частот (ФНЧ). Синусоида выглядит не очень чистой, но это в основном из-за ограниченной разрешающей способности цифрового осциллографа.



Спектрограмма показала неожиданно хороший результат. Большой пик - это на частоте около 1000 Гц. Все нежелательные искажения находятся ниже 50 дБ, возникшие из-за того, что использовался 8 битный ЦАП (1/256 = 48 дБ).



Выходной фильтр низких частот

Для начала, вы можете подсоединить 11 пин контроллера к активным колонкам. Но скорее всего, вам еще понадобится ФНЧ-фильтр, который также будет отфильтровывать частоту дискретизации 32 кГц. Ниже представлена схема такого фильтра с частотой среза 12 кГц.



Аппаратная реализация DDS

Данная программная реализация алгоритма DDS имеет некоторые недостатки, связанные с ограниченной скоростью алгоритма программы, а также возможностями микроконтроллера ATMega. Специализированные DDS-микросхемы лишены этих недостатков и покрывают диапазон от 0 до 100 МГц.

WSPR

Извещатель о прохождении слабого сигнала (Weak Signal Propagation Reporter) - программное обеспечение позволяющее передавать и принимать сигналы радиомаяков, задействуя не только передатчик, но и интернет. При помощи данного DDS-генератора можно генерировать 4 тоновых последовательности частотой 1497.8 1499.3 1500.7 1502.2 Гц.