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波形発生器
CONTENTS
REFERENCES
概略仕様†
- ネクストプランニング(025-256-5868渋谷)の引き合い
- 20Vpp(-10Vp〜10Vp, 0〜20kHzの正弦波を発生させる。
- 電源はDC24V
- 7セグ5桁とテンキー12個くらい
- ひずみ率は1%以下
- 周波数設定は0.005%以下 (20000Hzと20001Hzとが区別可能なこと)
主要部品†
| ITEM | MANI. | PARTS | UNIT | QTY | REMARK |
|---|
| CPU | AKIZUKI | AKI-H8 | 3,800 | 1 | |
| BOARD | OLIMEX | DDS | 6,000 | 3 | |
| SW | ALPUS | SKECAF | 90 | 16 | 336-7788(5) |
| SW-TOP | ALPUS | SK2AA00180 | 150 | 16 | 441-8124(5) |
| PS | COSEL | ZUW1R52415 | 1,330 | 1 | 464-3522(1) |
| 7SEG | | | | 5 | |
| SCF | | | | 1 | |
| RAM | | | | 1 | |
| OP | | | | 1 | |
キーボードの選定†
- DMC社製PCMK-DTK-12, ミスミ扱い, 1,700円
- In2Tec製4234A1, RS扱い, 3,400円
- いずれも自由度が低いし高価なので、普通のSWにすることを検討。
- 7セグと高さを合わせるなら、13mm
7セグの選定†
ケースへの取り付け†
システム設計†
I/O本数について†
D/A変換速度について†
- 変換時間最大10us(負荷容量20pF時)
- 最大周波数が20kHzだから、周期は50us。
- 最大周波数付近では3角波になる
周波数の可変範囲と分解能†
- ITUでDMAを起動してメモリ内のデータをDACに送る
- ITUのクロックは、内部クロックの1/1=62.5usから1/8=0.5us。
- DACの最大変換速度の10usを出すには、ITUを1/1クロックでカウントして、カウント値は160に設定。
- DACの分解能は8ビット。
- DMA転送するデータ長を4, 8, 16, 32, 64, 128, 512, 1024バイトとして、DACの最大変換速度で変換すると
| データ長 | 周期 | 最高周波数 | 最低周波数 | 0.5%分解能の下限(カウンタ値200以上) | ひずみ率 |
|---|
| 4 | 40us | 25kHz | 61.035Hz | 20kHz | 42.87% |
| 8 | 80us | 12.5kHz | 30.518Hz | 10kHz | 14.78% |
| 16 | 160us | 6.25kHz | 15.259Hz | 5kHz | 1.113% |
| 32 | 320us | 3.152kHz | 7.629Hz | 2.5kHz | 0.8113% |
| 64 | 640us | 1.5625kHz | 3.815Hz | 1.25kHz | 0.7531% |
| 128 | 1280us | 781.25Hz | 1.907Hz | 625Hz | 0.7531% |
| 256 | 2560us | 390.6251Hz | 0.9537Hz | 312.6Hz | 0.1413% |
| 512 | 5120us | 195.3125Hz | 0.4768Hz | 156.25Hz | |
| 1024 | 10240us | 97.65625Hz | 0.2384Hz | 78.125Hz | |
- 設定例
- 10Hzに設定するには
- データ長1024を使う
- 10Hzの周期=100msを1024で割ると、97.656us。
- ITUで97.656usを設定するには、1/1クロックで、カウンタ値は1562とする。
- カウンタ値を1563とすると、ITU起動は97.625usになる。
- 97.625usで1024バイトをDMA転送すると、99.968msの周期になる。
- 周期99.968msは、10.003Hzになるので、10Hz, 11Hz, 12Hzも設定可能といえる。
- 20kHzに設定するには
- データ長4を使う
- 20kHzの周期=50usを4で割ると、12.5us。
- ITUで12.5usを設定するには、1/1クロックで、カウンタ値は200となる。
- カウンタ値を201とすると、ITU起動は12.5625usになる。
- 12.5625usで4バイトをDMA転送すると、50.25usの周期になる。
- 周期50.25usは、19900Hzなので、周波数の設定間隔は100Hz程度になる。
システム設計2†
- 矩形波発生回路と遮断周波数可変LPF(SCF:Switched Capaciter Filter)とで構成
SCFの選定†
- UAF42AP
- BB, DIP14, 6-18V, 0-100MHz, 311-580, 1, 4200
- LTC1062CN8
- LT, DIP8, 3-18V, 0-20MHz, 633-880, 1, 1200
ひずみ率†
- LTC1062とすると、-30dB/Octなので、ひずみ率3%
- シミュレーション
- シミュレーション用に設計した、5次バタワースフィルタの特性
- 矩形波を入れたときの波形
矩形波の分解能†
- システムクロック16MHz(T=62.5ns)をITUで分周する。
| クロック分周比 | 最大周波数 | 最小周波数 | 20kHz分解能 |
|---|
| 1 | 8MHz | 122Hz | |
| 2 | 8MHz | 61Hz | |
| 4 | 8MHz | 30.5Hz | |
| 8 | 8MHz | 15.3Hz | |
- ITUのカウンタ値20000のとき20kHzになるようにして、ITUをカスケードで接続する。
- 2段目のクロックが1.25nsになり、800MHzになる。→不可能
- 現実的な周波数分解能
- 20kHz発振時のカウンタ値は、1/2周期ずつカウントするので25us。
- もっとも細かくカウントするには、システムクロックの周期0.0625usでカウントする。
- このときのカウント値は、25/0.0625 = 400
- ここで、カウント値399のときの発振周波数を求める。
- 1/2周期は、399*0.0625 = 24.9375なので、周波数は20050Hzになる。
- すなわち、発振周波数20kHz付近では、50Hz単位の設定となる。
- PLDを外付けにした場合
- クロックは80MHzが楽
- クロックの周期が0.0125usになるので、20kHz時のカウント値は4000になる。
- ここで、カウント値3999のときの発振周波数を求めると、20005Hz。
- すなわち、発振周波数20kHz付近では、5Hz単位の設定となる。
システム設計3†
44kHzあたりでDACに正弦波データを送り続ける。→88.2kHzは必要- 後段にはSCFを入れる
サンプリング周波数†
- ITUで作れる44kHzあたり
- システムクロックは16MHz。すなわち62.5ns。
- 44kHzは周期で22.727us。
- ITUのカウントとしては22.727 / 0.0625 = 363.632
- ITUのカウンタに363を設定すると。
- 周期は363 * 0.0625 = 22.6875。すなわち44.0771kHzになる。
メモリ長†
- 44kHzで1Hzを出すには。1/(1/44000) = 44000バイト必要。
- 20000Hzと20001Hzとの差を出すためには?
- これをtで解けば良いんだけど。どうするんだろう?
- 周期で行くか?
- 20000Hzと20001Hzとの差を出すためには?
- DACのサンプリング周波数を88.2kHzとすると
- Nについて解くと
- すなわち、4536個以上のデータを送ると、1サンプル以上の差が出る。
- 従って、DACのサンプリング周波数が88.2kHzの場合は、1200h以上のデータ長が必要となる。
- 最初と最後の連続性を保つデータの生成方法
- 波形データをcos波にする
- 1200h相当分作成する
- 後ろから最大値を求め、データの最後とする。
ひずみ率†
- 20kHz時のシミュレーション
- DACレート88.2kHz、LPF30kHzでシミュレーション
- 上から正弦波、DAC出力波形、出力波形、DAC出力トリガ
- 出力のひずみ率は0.428%
- 1kHz時のシミュレーション
- 出力のひずみ率は0.00002544%
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