はじめに

Analog Devices の AD9835 をサンプルで入手できたので、PIC でコントロールしてみました。
DDS とは正弦波を D/A で高精度に周波数制御しながら出力するものです。
最大 50MHz で駆動でき、10bit 精度があります。
従来のアナログOPアンプを使った正弦波発信器より高精度です。

48.8KHz まで	10bit精度
97.7KHz まで	9bit精度
195KHz まで	8bit精度
391KHz まで	7bit精度
781KHz まで	6bit精度
1.56MHz まで	5bit精度
3.125MHz まで	4bit精度

AD9835 は機器への内蔵を想定しているため、表面実装のTSSOP(Thin Shirink Smole Outline Package)になっています。
5.1mm x 6.2mm と非常に小さいため、扱い易いように DIP へ変換アダプタを作りました。

PIC と AD9835 とは３つの線(SCLK, SDATA, FSYNC)で接続し、コントロールには16ビットのコマンドで行います。
AD9835には６つのレジスタがあります。

FREQ0 REG	32bits	FREQ0 用の周波数レジスタ
FREQ1 REG	32bits	FREQ1 用の周波数レジスタ
PHASE0 REG	12bits	PHASE0 用の位相オフセット
PHASE1 REG	12bits	PHASE0 用の位相オフセット
PHASE2 REG	12bits	PHASE0 用の位相オフセット
PHASE3 REG	12bits	PHASE0 用の位相オフセット

ピンで２つの周波数切り替えと位相を切り替えることができます。
今回は FREQ0 とPHASE0 に固定しています。

32ビットレジスタの構造

H MSB(8bits)

L MSB(8bits)

H LSB(8bits)

L LSB(8bits)

12ビットレジスタの構造

MSB(4bits)

LSB(8bits)

データレジスタへの書き込み

D15

D14

D13

D12

D11

D10

D9

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

C3

C2

C1

C0

A3

A2

A1

A0

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

SYNC と SELSRC の設定

D15

D14

D13

D12

D11

D10

D9

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

0

SYNC

SELSRC

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

Sleep, Reset, Clear コントロール

D15

D14

D13

D12

D11

D10

D9

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

1

SLEEP

RESET

CLR

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

アドレスとコマンドを指定することで、レジスタ操作をします。

A3	A2	A1	A0	Register
0	0	0	0	FREG0 L LSB(8bits)
0	0	0	1	FREG0 H LSB(8bits)
0	0	1	0	FREG0 L MSB(8bits)
0	0	1	1	FREG0 H MSB(8bits)
0	1	0	0	FREG1 L LSB(8bits)
0	1	0	1	FREG1 H LSB(8bits)
0	1	1	0	FREG1 L LSB(8bits)
0	1	1	1	FREG1 H LSB(8bits)
1	0	0	0	PHASE0 LSB(8bits)
1	0	0	1	PHASE0 MSB(8bits)
1	0	1	0	PHASE1 LSB(8bits)
1	0	1	1	PHASE1 MSB(8bits)
1	1	0	0	PHASE2 LSB(8bits)
1	1	0	1	PHASE2 MSB(8bits)
1	1	1	0	PHASE3 LSB(8bits)
1	1	1	1	PHASE3 MSB(8bits)

C3	C2	C1	C0	Command
0	0	0	0	Phase 16ビット(8ビットバッファーを含む)の書き込み
0	0	0	1	Phase 8ビットバッファーへの書き込み
0	0	1	0	Register 16ビット(8ビットバッファーを含む)の書き込み
0	0	1	1	Register 8ビットバッファーへの書き込み
0	1	0	0	SELSRC=1 のときD9(PSEL0)とD10(PSEL1)を使用/SELSRC=0のときPSEL0とPSEL1ピンを使用
0	1	0	1	SELSRC=1 のときD11(FSELECT)を使用/SELSRC=0のときFSELECTピンを使用
0	1	1	0	SELSRC=1 のときD9(PSEL0)D10(PSEL1)D11(FSELECT)を使用/SELSRC=0のときPSEL0,PSEL1,FSELECTピンを使用
0	1	1	1	予約

制御ソフトでは、浮動小数点演算が不可欠であり、Microchip の Application Note AN575 を利用しました。
最近の PIC はFLASHの容量が増えたので、浮動小数点も容易に扱うことができます。

仕様

出力波形	正弦波、矩形波(Duty可変)
周波数	1Hz - 1MHz
周波数可変単位	1Hz,10Hz,100Hz,1KHz,10KHz,100KHz,1MHz
最大振幅	3.5Vpp

周波数の上限は振幅が小さくなることを気にしなければ10MHzでも利用可能。

回路図

部品表

型番	数	Parts	備考
0.01u	2	C4,C7	セラミックコンデンサ, (秋月)
100u	4	C1,C2,C5,C6	縦型電解コンデンサ,耐圧16V (秋月)
SC1602B	1	LCD1	16桁2行表示LCD, (秋月)
10K	3	R1,R2,R3	カーボン抵抗1/4W (千石)
3.9K	1	R4	カーボン抵抗1/4W (千石)
500	1	VR1	ボリュームB (千石)
10K	1	VR2	ボリュームB (千石)
NJM2930	1	U1	３端子レギュレータ5V, (秋月)
16F88	1	U2	PIC(秋月)
JXO	1	U3	CMOS水晶発信器 50MHz, KCJOX7-50.0000 キンセキ(サンエレクトロ)
AD9835	1	U4	Analog Devices (サンプル)
LM6365	1	U5	高速オペアンプ(秋月)
Case	1	Case	ポリカーボネート・ケース、117x84x28mm (秋月)
SW	3	SW	ボタンスイッチ(千石)
RCA	2	RCA	RCAジャック(千石)

AD9835 入手方法の問い合わせを多く受けますが、アナログデバイセズ のホームページをご覧ください。英語能力が必要です。

ファームウェア

DDS.zip(3.3KB)
エラー処理をしていません。たとえば、周波数がマイナスになるような操作すると動作は不定になります。

基板例

外見

使用方法

1. 周波数の変更する桁にアンダーラインが表示されます。
2. RANGEボタンを押すごとにアンダーラインの位置が変わります。
3. 周波数をUP/DOWNボタンで変更します。
4. 周波数は電源OFFしても保持されます。
5. 周波数をリセット(100KHz)するにはRANGEボタンを押しながら電源ONします。

評価

出力波形をデジタル・オシロスコープ(PicoScope2104)で確認してみました。
左図が波形、右図がスペクトラムです。
1Hz単位で周波数を設定でき、波形も見ての通りです。スプリアスもほとんどみあたりません。
デジタル・オシロスコープは便利ですね。周波数とピーク電圧も同時に測定してくれます。
波形を画像として保存できるので、貼り付けも簡単です。








矩形波(1KHz)

感想

以前はオペアンプを使ったアナログ正弦波発信器を使っていましたが、 高い周波数での波形鈍りと不安定さに悩まされていました。
目的の周波数に合わせるのも苦労していました。
技術は進歩するもので、DDS では周波数の安定性と1Hz単位での設定が可能になりました。
しかも1MHzでも波形に鈍りはみられません。 むしろ、下手なオペアンプをバッファーに入れると波形が鈍ってしまいます。
さすがに、1MHz 以上になると振幅にも影響がみられ、小さくなっていきます。
Analog Devices にはAD9835より優れたDDSもありますが、急激に消費電流が大きくなることと ピン数が多くなるため、アマチュアとしてはAD9835が最適のように思います。
周波数は非常に高精度でこれから重宝しそうです。

1Hz単位で周波数を指定できることから、123456Hzということもできます。有名な発振器用ICのMAX038ではこのようなことは難しいでしょう。