Le groupe DDS

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Introduction

Le but de ce tutoriel est de donner les outils de bases pour démarrer un projet autour d'un DDS, de la programmation à l'implémentation sur circuits imprimés : réalisation de cartes "propriétaires".

Vous pouvez aussi participer à l'enrichissement de cette page avec vos sources ou partager vos projets.Contacter l'animateur du Groupe DDS par mail Fabrice.wiotte@univ-paris13.fr LPL Université Paris 13


http://jmfriedt.free.fr/network_analyzer.pdf : travaux pratiques de Master1 EEA Besançon pour réaliser un petit analyseur de réseau à base d'AD9834 (faible consommation, MCK=75 MHz) commandé par STM32F410.

Généralités sur les DDS

Les "Direct Digital Synthesizers" (DDS) sont des synthétiseurs qui peuvent générer des formes d'ondes arbitraires à diverses fréquences à partir d'une fréquence de référence fixe.

Une bonne note expliquant le fonctionnement des DDS se trouve ici : Média:Tuto_dds.pdf

Pourquoi les DDS ?

Depuis quelques années pour les équipes de recherches du Laboratoire de Physique des Lasers (LPL), nous utilisons la technologie DDS pour développer des générateurs radiofréquences de quelques MHz à plusieurs centaines de MHz nécessaires au fonctionnement des expériences, ainsi qu'à l'étude et au développement des Condensats d'atomes froids (BEC). Cette technologie au travers de composants spécifiques, nous permet de réaliser des cartes électroniques adaptées aux expériences du laboratoire. Ces dernières sont entièrement pilotable numériquement, on peut ainsi programmer les paramètres principaux tel que la fréquence, la phase et l’amplitude. Les caractéristiques de ces composants font qu’ils disposent d'une grande pureté spectrale, d’une grande stabilité, d’un faible bruit de phase et d’une grande agilité en fréquence sans saut de phase. Les applications: Générateurs de fonctions, oscillateur local, PLL, driver AOM...

  1. Ci-dessous schéma fonctionnel de l'AD9852.
Schéma bloc AD9852.png
1.1 Description des principales fonctions d'entrées et de sorties.
 REFERENCE CLOCK IN si l'horloge externe = 20MHz PLL activée x 15 = 300MHz (fréquence du system clock) ou si PLL off horloge externe max =300MHz.
 MASTER RESET  bit actif sur front logic 1 initialise le DDS et met la sortie RF à zéro.
 ANALOG OUT est la sortie RF principale 0dBm en général.
 I/O UPDATE CLOCK est le bit de chargement des données dans le DDS (par défaut généré en interne et synchronisé sur system clock.
 FSK/BPSK/HOLD bit actif sur front logic 1 lance les rampes de fréquences en autres.
 OSK bit actif sur front logic 1 lance les rampes d'amplitudes.
 8-BIT PARALLEL LOAD bus 8bits pour chargement des données actif si mode parallèle sélectionné.
 6-BIT ADDRESS OR SERIAL PROGRAMMING bus 6bits pour chargement des adresses en mode parallèle sinon utiliser seulement bit A0 pour
 le mode SPI. 
 SERIAL/PARALLEL SELECT bit de sélection des modes de programmation du DDS: = 1 si chargement parallèle, 0 si chargement série(pin
 70 du DDS).
 DIFF/SINGLE SELECT bit de sélection single ended or differential clock input. pin 64 du DDS.
 WRITE OR WR/SCLK si mode Parallèle => bit de chargement I/O port buffers, actif sur front descendant ou SCLK en mode SPI.

Visualisation d'une sortie d'un DDS (AD9852)

               Continuité de phase DDSad9852.jpg
Ci-dessus visualisation du changement de la fréquence de sortie d'un DDS sans saut de phase. Mode de programmation parallèle: en bas de l'écran bus de données(B1) et bus d'adresses(B2). 
Attention dans cet exemple je ne programme que l'octet de poids fort pour la fréquence et l'amplitude.
En jaune signal d'actualisation des données et adresses, en rouge sortie RF sur 50ohms.
En vert signal WR/SCLK bit de chargement dans I/O port buffers actif sur front descendant et durée minimale programmable = 50ns.
En bleu I/O UPDATE données transmises au DDS actif sur front montant et durée minimale programmable  = 50ns.
Les courbes en vert et bleu sont volontairement décalées suivant la procédure de chargement des données fournie dans le datasheet du DDS(page 18 du datasheet AD9852).le mot de fréquence pour ce DDS est codé sur 48 bits et donc 6 Octets avec pour parallel address: 0x04;0x05;0x06;0x07;0x08;0x09 (0x04 Octet de poids fort)ou serial address= 0x02 en mode SPI. le mot d'amplitude pour ce DDS est codé sur 12 bits et donc 2 Octets avec pour parallel address:0x21;0x22;(0x21 Octet de poids fort) ou serial address= 0x07 en mode SPI.

Comment programmer un DDS Une des pages importantes dans un datasheet de DDS est la page register layout table. celle-ci définie tous les registres à utiliser pour programmer l'ensemble des fonctions de bases.

Register layout table AD9852.png

En rouge le mot de fréquence f1 programmable 48 bits soit sur 6 Octets.
En bleu le mot d'amplitude programmable sur 12 bits soit sur 2 Octets.
Ce sont les deux paramètres à programmer à minima pour générer un signal RF en sortie.

un DDS utilisé au LPL : l'AD9959

Ad9959.jpg


MSP430 et AD9959.jpeg
    Comment programmer le DDS :La programmation sur ce DDS est uniquement en mode SPI
    Single-bit serial 2-wire mode (default mode)
    Single-bit serial 3-wire mode
    2-bit serial mode
    4-bit serial mode (SYNC_I/O not available)

SPI MODE.jpg

Côté MSP430F169 : Les sorties SIMO1 P5.1, UCLK1 P5.3 et ACLK P5.6 sont utilisées pour programmer en mode SPI 2 fils (mode par défaut du DDS),Côté DDS AD9959: SCLK, SDIO_0 et CS/ sont à connecter au microcontrôleur. ci-dessous le mode par défaut.SDIO_1,2 et 3 sont connectés au microcontrôleur pour réaliser si on le souhaite, des profiles de rampes de fréquences ou de phases.

   SCLK = serial clock pin 48 du DDS
   CS/  =  Chip select pin 47  du DDS
   SDIO_0 = Serial data I/O pin 50 du DDS

Quel microcontrôleur pour piloter les DDS ?

Sur le schéma plus haut, le DDS a été programmé par l'intermédiaire d'un microcontrôleur 16 bits de chez TI, le MSP430F169 @8MHz d'horloge.

l'environnement de programmation du MSP430 est IAR Embedded Workbench téléchargeable gratuitement dans sa version de base avec un code limité @8Ko

Aujourd'hui je conseil d'utiliser un CPU ARM pour tous les développement uC (STM32, ARDUINO, TI TIVA séries...).

Un développement récent avec l'AD9959 à été réalisé avec un microcontrôleur ATMEL ARDUINO DUE, microcontrôleur 32 bits ARM @84MHz et un STM32F437 ARM @180MHz.

Les dernières cartes développées au LPL utilisent principalement des microcontrôleurs TEXAS INSTRUMENT TM4C123GH6PM ARM@80MHz Cortex®-M4F et TM4C1294 ARM@120MHz

Ci dessous Les différents registres du DDS l'AD9959 table 28 du datasheet de l'AD9959

   registre CSR (channel select register)
   One byte is assigned to this register:  le  nombre d'octets du registre ici 1 octet.
   CSR serial address = 0x00; 
   CSR defaut value = 0xF0;

Ce registre active les voies de sorties et les modes SPI: Par défaut toutes les voies sont activées et le mode SPI Single-bit serial 2-wire est sélectionné. Il est évidemment possible de redéfinir ce registre suivant son application.

   Le second registre est le registre FR1: table 28 du datasheet
   registre FR1 (fonction register 1) 
   three bytes is assigned to this register: nombre d'octets du registre 
   FR1 serial address = 0x01; 
   FR1 defaut value = 0x00;

Ce registre permet en autres de définir la PLL interne et le coefficient multiplicateur x4 à x20. Pour exemple la valeur à fournir pour activer la PLL x20 ⇒ FR1 = 0xD00000; Dans ce cas il suffit de fournir un quartz à 25MHz avec la PLL activée x20 on a 500MHz d'horloge PIN 22 et 23 du DDS.

   Le troisième registre est le registre CFR table 29 du datasheet
   registre CFR (Channel Function Register) 
   three bytes is assigned to this register: nombre d'octets du registre 
   CFR serial address = 0x03; 
   CFR defaut value =0x302; 

Ce registre défini les différents mode de fonctionnement du DDS.Ce registre est important si vous utiliser certains modes de fonctionnement: balayage de fréquence, de phase, ou d'amplitude. Important par défaut les sortie sont en mode DAC full-scale current.

   Le quatrième registre est le registre CFTW0: table 29 du datasheet
   registre CFTW0 (Channel Frequency Tuning Word 01) 
   four bytes is assigned to this register: nombre d'octets du registre 
   CFTW0 serial address = 0x04; 
   CFTW0 defaut value =0x00; 

Ce registre permet de rentrer la fréquence désirée suivant la relation ci-dessous:

   FTW0 = frequency output x 2^32 /frequency clock en Hexadecimal
   Le cinquième registre est le registre CPOW0 table 29 du datasheet
   registre CPOW0 (Channel Phase Offset Word 01) 
   two bytes is assigned to this register:  nombre d'octets du registre 
   CPOW0 serial address = 0x05; 
   CPOW0 defaut value =0x00; 

Ce registre définie la phase du signal de sortie codé sur 14 bits avec la relation ci-dessous:

   CPOW0 = Delta phi x 2^14 /360°
   Le sixième registre est le registre ACR: table 29 du datasheet
   registre ACR (Amplitude Control Register)
   two bytes is assigned to this register:  nombre d'octets du registre 
   ACR serial address = 0x06; 
   ACR defaut value =0x00; 

Ce registre permet de définir l'amplitude. Par défaut l'amplitude est en mode full scale mais programmable si on modifie le registre CFR.

Les autres registres sont utiles pour programmer le DDS pour des balayages de fréquences, de phases et d'amplitudes en autres.

   Registre FR2 (Function Register 2)
   Registre LSRR (Linear Sweep Ramp Rate1)
   Registre FDW (LSR Falling delta Word1) 
   Registre RDW (LSR Risingdelta Word1)
   Registre CW1 (Channel Word 1)
   ...

Programme en C écrit dans un microcontrôleur, le MSP430F169 pour contrôler une DDS l'AD9959

initialisation et chargement des registres CSR et CFTW0:

    int  CSR_ADDRESS = 0x00;   AD9959 CSR adresss Byte
    int CSR_NUM_BYTE = 0x01;   CSR nombre d'octet du registre
    long CSR0 = 0x10;          AD9959 du channel 0 MSB first SPI par défaut
       
    int  FTW_ADDRESS = 0x04;   AD9959 FTW adresss Byte
    int FTW_NUM_BYTE = 0x04;   FTW nombre d'octet du registre
    long FTW0 = 0x28F5C28F;    frequence en hex = fout x2^32/fclock

dans le main

    P4OUT = 0x40;          AD9959 master reset bit de validation du MSP430
    P4OUT = 0x00;          AD9959 master set   bit de validation du MSP430
    
    write_serial_port(CSR_ADDRESS, CSR0, CSR_NUM_BYTE);
    P5OUT = 0x40;          I/O update du DDS bit de validation du MSP430 
    P5OUT = 0x00;          I/O update du DDS bit de validation du MSP430  
    
    write_serial_port(FTW_ADDRESS, FTW0, FTW_NUM_BYTE);
    P5OUT = 0x40;          I/O update du DDS bit de validation du MSP430 
    P5OUT = 0x00;          I/O update du DDS bit de validation du MSP430

Commentaires sur le programme: on fait un RESET du DDS (pin 3), on charge les données de chaque registre au travers du port SPI write_serial_port… Puis on réalise un I/O UPDATE pin 46 du DDS pour la validation et le transfert des données. Ce bout de programme permet de charger le channel 0 avec une fréquence de 80MHz et une amplitude par défaut FULL DAC. I/O_UPDATE is synchronous to the SYNC_CLK (Pin 54) = Master clock/4. Voir figure 40 du datasheet du DDS. Ci-dessous le sous programme d'initialisation des ports du microcontrôleur et du SPI pour le MSP430F169 : TI fourni de nombreux exemples de codes de bases pour configurer les modes SPI, I2C et utiliser la mémoire Flash: slac015p.zip

#include  <msp430x16x.h>
    void DDS_quartz_oscillator_init(void)
    {
      BCSCTL1 |= XTS;               ACLK= LFXT1= HF XTAL 
      BCSCTL2 |= SELM_3;            MCLK = LFXT1 (safe) pin 8,9 du MSP430
      P1SEL = 0x00;                 P1 I/O select
      P2SEL = 0x00;                 P2 I/O select
      P3SEL = 0x00;                 P3 I/O select
      P4SEL = 0x00;                 P4 I/O select
      P5SEL = 0x0A;                 P5.1,3 SPI option select
      P6SEL = 0x00;                 P6 I/O select
      P1DIR = 0xFF;                 P1.output direction
      P2DIR = 0xFF;                 P2 output direction
      P3DIR = 0xFF;                 P3 output direction
      P4DIR = 0xFF;                 P4 output direction
      P5DIR = 0xFF;                 P5 output direction
      P6DIR = 0xFF;                 P6 output direction
      ME2 |= USPIE1;                Enable USART1 SPI
      UCTL1 |= CHAR + SYNC + MM;    8-bit SPI Master **SWRST**
      UTCTL1 = CKPH + SSEL1 + STC;  SMCLK delayed, 3-pin
      UBR01 = 0x2;                  ACLK/2 for baud rate
      UBR11 = 0x0;                  ACLK/2 for baud rate
      UMCTL1 = 0x0;                 Clear modulation
      UCTL1 &= ~SWRST;              Initialize USART state machine
    }

BCSCTL1 |= XTS; et BCSCTL2 |= SELM_3; permet d'être en mode HF XTAL le MSP430 fonctionnera à 8MHZ au lieu de 32KHz par défaut.

  MSP430F169
          -----------------
      /|\|              XIN|-
       | |                 | HF XTAL (455k - 8Mhz)
       --|RST          XOUT|-
         |                 |
         |             P5.4|-->MCLK = XTAL

D'après : M. Buccini Texas Instruments Inc. Feb 2005 Built with CCE Version: 3.2.0 and IAR Embedded Workbench Version: 3.21A

le sous programme pour le chargement des données en mode SPI du MSP430F169

      void write_serial_port(int instruction, long data, int num_byte)
      {
       int i=0;
       TXBUF1 = instruction;
        do
       {
       TXBUF1 = data >>(num_byte-1-i)*8;
       i++;
       }
        while (i < num_byte);
      }

Un code complet pour charger le DDS avec le MSP430F169

  #include <msp430x16x.h>
  #include "DDS_quartz_oscillator.h"
  void init_sys(void);                MSP430 Initialisation routine 
  void tempo_loop(int loop_number);   wait loop
  void write_serial_port1(int instruction, long data, int num_byte); 
          /   main() variable declarations  /                                      
         / configuration Channel Select Register /                  
                Channel Select Register                               
   int  CSR_ADRESS = 0x00;           AD9959 CSR adresss Byte
   long CSR = 0x10;                  AD9959 CH0 only MSB first 
   int CSR_NUM_BYTE = 0x01;          AD9959 byte number by CSR 
   int  FTW0_ADRESS = 0x04;          AD9959 FTW0 adresss Byte 
   long FTW0 = 0x38C9138C;           AD9959 Frequency Tuning Word0 122MHz 
   int FTW_NUM_BYTE = 0x04;          AD9959 byte number by FTW 
   void main(void)
   {
            / initialisation du msp430  /
   init_sys();                       Initialise the MSP430
   tempo_loop(10000);                wait loop
   P5OUT = 0x00;   
   P4OUT = 0x40;                     Reset AD9959  
   tempo_loop(10000);                wait loop  
   P4OUT = 0x00;                     Set AD9959
   write_serial_port1(CSR_ADRESS, CSR, CSR_NUM_BYTE);
   tempo_loop(100);                  wait loop
   P5OUT = 0x40;                     AD9959 I/O update
   P5OUT = 0x00;                        
   write_serial_port1(FTW0_ADRESS, FTW0, FTW_NUM_BYTE);                                        
   tempo_loop(10);                   wait loop
   P5OUT = 0x40;                     AD9959 I/O update
   P5OUT = 0x00;                         
   }
   void init_sys(void)
   {
   WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;       // stop Watch Dog Timer
   DDS_quartz_oscillator_init();   // init usart1, spi mode, 2wire
   }
   void write_serial_port1(int instruction, long data, int num_byte)
   {
    int i=0;
    TXBUF1 = instruction;
   do
   {
    TXBUF1 = data >>(num_byte-1-i)*8;
    i++;
   }while (i < num_byte);
   }
   void tempo_loop(int loop_number)
   {
   int i;
   int j;
   for(i = 0; i < loop_number; ++i)           wait loop
   { 
    j=j+i; 
   } 
   }

Différentes cartes de développement : MSP430 - ARM TI - STM32 - Arduino

TivaTM4C123.jpg KITmsp430.jpg 512YMs-THNL. AC SX522 .jpg Arduino due.png

Environnement de programmation : IAR for MSP430 & ARM, code composer studio for MSP430 & ARM, IDE cube for STM32...

IAR for MSP430.jpg IAR for MSP

IAR ARM.png IAR for ARM


CCS10.png Code Composer Studio for ARM or MSP


STM32.png ide Cube for STM32


Cubemx.png ide Cube MX for STM32

Conception CAO électronique -> Tuto prise en main d'Altium Designer 20: support TP Ingénieur Instrumentation Galilée USPN

Les kits de développement c'est bien ! mais des cartes maisons c'est pas mal aussi !

Pour ceux qui veulent se lancer dans la CAO. Un tutoriel simple et une prise en main rapide du logiciel Altium designer 20

Maxresdefault.jpg Fichier:CAO Electronique Fabrice Wiotte 2020.pdf