用于组装简易DDS信号发生器的套件

延续电子套件这个话题，这次我想介绍一款设备，帮助初学无线电爱好者扩充测量仪器装备。
严格来说，它算不上测量仪器，但它确实能在测量时派上用场。

无线电爱好者，当然也包括其他人，经常需要检查各种电子设备。这可能发生在调试阶段，也可能发生在维修阶段。
检查时，有时需要追踪信号在设备不同电路中的传输情况，但设备本身并不总能在没有外部信号源的情况下做到这一点。
例如，调试或检查多级低频功率放大器时。

首先简单说明一下这篇评测要介绍什么。
我想介绍一套可以组装成信号发生器的套件。

发生器有很多种，比如下面这些也是发生器 :)


不过我们要组装的是信号发生器。我用了很多年的老式模拟信号发生器，生成正弦信号的表现非常好，频率范围为10-100000 Hz，但体积很大，而且不能输出其他波形的信号。
这次我们要组装的是DDS信号发生器。
DDS是Direct Digital Synthesizer，中文叫直接数字合成。
这种设备可以利用一个频率固定的内部振荡器作为基准，生成任意波形和频率的信号。
这类发生器的优点是频率调节范围大、步进很小，而且需要时还能生成复杂波形。

照例，先简单说说包装。
除了常规包装外，这套件还装在一个白色厚信封里。
所有元件都放在一个带扣的防静电袋里（对无线电爱好者来说，这东西在日常使用中相当实用 :)）


包装里的元件都是散装的，拆开后大致是这个样子。


显示屏用气泡膜包着。大约一年前，我已经做过这种显示屏的评测，还介绍了它的应用，所以这里就不再展开了，只说它一路平安到达。
套件里还附带了两个BNC接口，不过结构比示波器评测里的那种简单。


芯片和对应的插座单独放在一小块发泡聚乙烯上。
设备采用了Atmel公司的ATmega16微控制器。
有时人们会把名称搞混，把微控制器叫作处理器。实际上，这是两种不同的东西。
处理器本质上只是一个计算单元，而微控制器除了处理器，还集成了RAM和ROM，也可能带有各种外设，例如DAC、ADC、PWM控制器、比较器等。

第二颗芯片是LM358双运算放大器，一款最普通、应用最广泛的运算放大器。


先把整套元件摆出来，看看里面都有什么。
印制电路板
1602显示屏
两个BNC接口
两个可变电阻和一个微调电阻
晶体谐振器
电阻和电容
集成电路
六个按键
各种接口和紧固件


双面印刷电路板，元件标识印在顶层。
由于套件不附原理图，电路板上标注的不是元件位号，而是元件参数。也就是说，即使没有原理图也能组装。


电路板金属化工艺不错，我没发现什么问题，焊盘镀层很好，焊接也很轻松。


两面之间的过孔采用了双孔设计。
为什么要这样做，而不是采用常见的做法，我也不清楚，不过这确实提高了可靠性。


一开始，我打算根据电路板画出原理图。但画到一半时，我想到，制作这个套件时肯定是参考了某个已有的电路。
果然如此，我在网上搜索后找到了这个设备的原始版本。
链接里可以找到原理图、电路板和固件源代码。
不过我还是决定按照现有电路把原理图画完，可以肯定，它与原始版本完全一致。套件的开发者只是重新设计了电路板。这意味着，如果有这个设备的其他固件版本，它们也能在这里运行。
电路设计有一点值得注意：HS输出直接取自处理器引脚，没有任何保护，所以有可能不小心烧坏这个输出 :(


既然要介绍，就应该讲讲这张原理图的功能模块，并对其中一些模块展开说明。
我做了一版彩色原理图，用不同颜色标出了主要模块。
我不太会给这些颜色起名字，下面就尽量描述吧 :)
左侧紫色部分——上电初始复位和按钮强制复位电路。
接通电源时，电容C1处于放电状态，因此处理器的复位引脚为低电平。随着电容通过电阻R14充电，复位输入端的电压升高，处理器便开始工作。
绿色部分——工作模式切换按钮。
浅紫色？——1602显示屏、背光限流电阻和对比度调节电位器。
红色部分——信号放大和零点偏移调节电路（评测快结束时会展示它的作用）。
蓝色部分——DAC，即数模转换器。DAC采用R2R电阻网络电路，这是最简单的DAC方案之一。这里使用的是8位DAC，因为用到了微控制器同一个端口的全部引脚。改变处理器引脚上的代码，就能得到256个电压等级（8位）。这个DAC由两种阻值的电阻组成，两者相差2倍，因此名称由R和2R两部分构成。
这种方案的优点是速度快、成本极低，电阻最好选用精密电阻。我和一位朋友曾把这个原理用于ADC，但当时能选的精密电阻不多，所以采用了稍有不同的做法：所有电阻都用同一阻值，需要2R的地方就串联两只电阻。
这种数模转换方式曾用于早期的“声卡”之一——Covox。它同样使用了R2R电阻网络，并连接到LPT端口。
如前所述，这个套件中的DAC分辨率为8位，也就是256个信号等级，对一台简单的设备来说已经绰绰有余。


作者的页面上除了原理图、固件等资料，还找到了这台设备的框图。
从框图上可以更清楚地看出各模块之间的连接关系。


主要说明部分到这里就结束了，后面还会继续介绍扩展内容。现在我们直接开始组装。
和前面的例子一样，我决定先焊电阻。
这套套件里的电阻很多，但阻值只有几种。
大多数电阻只有两种阻值：20k和10k，几乎都用在R2R电阻网络中。
为了让组装稍微轻松一点，我告诉大家一个小窍门：甚至不用测阻值，20k电阻有9个，10k电阻则有8个：）


这次我采用了稍有不同的焊接方法。我不如喜欢前几种方法，不过这种方法也有它的用武之地。在某些情况下，这种方法能加快组装速度，尤其是要安装大量相同元件时。
这里的电阻引脚仍然像之前那样折弯，然后先把所有同一阻值的电阻装到电路板上，再装另一种阻值的电阻，这样就会形成两排元件。


从背面稍微弯一下引脚，但不要弯得太厉害，主要是防止元件掉下来。然后把电路板放在桌上，让引脚朝上。


接下来一只手拿焊锡，另一只手拿烙铁，把所有已插入元件的焊盘都焊好。
别一次装太多元件，否则要是一下子把整块电路板都插满，在这片“森林”里可就要迷路了：）


最后，把元件伸出的引脚贴着焊点剪掉。用斜口钳可以一次夹住好几根引脚（一次剪4-5-6根）。
我个人不太赞成这种焊接方法，展示它只是为了说明不同的组装方式。
这种方法的缺点：
剪断后会留下尖锐的引脚头。
如果元件没有排成一行，引脚很容易乱成一团，互相缠绕，只会拖慢操作。

优点：
安装一两排同类元件时，组装速度很快。
由于引脚没有大幅弯折，拆卸元件会更容易。

这种焊接方法在廉价电脑电源中很常见，不过那里的引脚不是用钳子剪掉，而是用类似切割片的东西切断。


大部分电阻装好后，还剩下几个不同阻值的电阻。
其中两个很好认，就是两个100k电阻。
最后三个电阻的色环分别是：
棕—红—黑—红—棕—12k
红—红—黑—黑—棕—220 Ω。
棕—黑—黑—黑—棕—100 Ω。


把最后几个电阻焊好后，电路板看起来应该大致是这样。


色环电阻很好用，但有时会搞不清楚应该从哪一端开始读色环。
如果是四环电阻，通常不会有什么问题，因为最后一环多半是银色或金色；但五环电阻就可能让人犯难。
这是因为最后一环的颜色可能和表示阻值的色环相同。

为了方便识别色环，最后一环应该与其他色环拉开距离，但这只是理想情况。现实中往往并非如此，色环之间的间距都一样。
遗憾的是，这种情况下只能靠万用表，或者凭逻辑判断（比如组装套件时）：先排除所有已知阻值，再根据剩下的阻值判断眼前这只电阻是多少。
下面举例看看这套元件中几种电阻色环的照片。
1. 两只相邻的电阻碰巧采用了“镜像”色环，从哪边读阻值都一样 :)
2. 100kΩ电阻，可以看到最后一环与前面的色环稍微隔开了一些（两张照片中的阻值都是从左向右读取）。


好了，电阻和色环标识的问题就说到这里，接下来看看更简单的元件。
这套元件里一共只有四只电容，而且是成对的，也就是两种规格，每种各两只。
套件里还附带了一只16 MHz晶体谐振器。


我在上一篇评测中介绍过电容和晶体谐振器，这里就只展示一下它们的安装位置。
看起来原本设计时所有电容都打算采用同一种封装，但22 pF电容后来换成了小型圆片电容。问题在于，电路板上的焊盘间距按5mm设计，而小圆片电容的引脚间距只有2.5mm，所以得稍微把引脚掰开。需要在靠近元件本体的位置弯折（好在引脚比较软），因为上方有处理器，必须尽量降低元件离电路板的高度。


套件里还附带了几个芯片插座和一些连接器。
下一步就要用到它们了，另外还要准备一条长排母和一个四针排针（照片里没拍到）。


附带的芯片插座是最普通的款式，不过和苏联时期的插座相比，已经算很不错了。
实际上，经验表明，这种插座在实际使用中往往比设备本身还耐用。
插座上有定位标记，也就是一侧短边上的小缺口。插座本身怎么装都行，只是之后安装芯片时，参照缺口会更方便。


安装插座时，方向要与电路板上的标记一致。


装好插座后，电路板开始有点样子了。


通过六个按键和两个电位器来控制仪器。
原版仪器使用五个按键，套件开发者增加了第六个按键，用作复位。说实话，我目前还不太明白它在实际使用中有什么意义，因为整个测试过程中我一次也没用到它。


前面我提到套件里有两个电位器，另外还附带了一个微调电阻。下面简单介绍一下这些元件。
电位器用于快速调节电阻值，除了标称阻值外，还有表示功能特性的标记。
功能特性指的是转动旋钮时，电阻值如何变化。
主要有三种特性：
A（进口型号标为B）——线性，电阻值随旋转角度线性变化。这类电阻适合用于电源的电压调节电路。
Б（进口型号标为C）——对数型，电阻值起初变化较快，接近中间位置时变化趋于平缓。
В（进口型号标为A）——反对数型，电阻值起初变化平缓，接近中间位置时变化较快。这类电阻通常用于音量调节器。
还有一种W型，只在进口型号中生产。它的调节特性呈S形，是对数型和反对数型的混合。如果说实话，我也不知道这种电阻用在哪里。
感兴趣的话，可以在这里查看更多信息。
顺便说一句，我也遇到过进口电位器的特性字母和国内标记相同的情况。例如这个现代进口电位器就是线性特性，标记为A。如果不确定，最好去网站查找更多信息。
套件里附带了两个电位器，但只有一个标了参数 :(

套件里还附带了一个微调电阻。说白了，它和电位器本质上是一样的，只是不适合频繁调节，更像是“调好就忘”。
这类电阻通常带有供螺丝刀使用的一字槽，而不是旋钮，而且只有线性电阻变化特性（至少我没见过其他类型）。


把电阻和按键焊好后，接下来安装BNC接口。
如果打算把设备装进外壳，或许可以购买引脚更长的按键，这样就不用加长套件附带的按键，使用起来也更方便。
至于电位器，我建议用导线引出来，因为它们之间的间距太小，按现在这种布局使用起来不方便。


BNC接口虽然比示波器评测里的那种简单一些，但我更喜欢这种。
关键是它们更容易焊接，对新手来说这一点很重要。
不过也有个问题：设计者把接口在电路板上排得太近，两颗螺母根本不可能同时拧上，总有一颗会压在另一颗上面。
其实在实际使用中，很少需要同时用到两个接口，但如果设计者能把它们的间距再拉开几毫米，效果就好多了。


主电路板的焊接工作基本完成，现在可以把运算放大器和微控制器装到对应位置了。


安装前，我通常会稍微弯一下引脚，让它们更靠近芯片中心。做法很简单：双手捏住芯片的两条短边，将引脚一侧垂直压在平整的表面上，比如桌面。引脚不用弯太多，这更多是个习惯问题，不过这样之后把芯片装进插座会方便得多。
安装时要注意，别让引脚不小心向内弯到芯片下面，否则再把它们掰回来时可能会折断。


按照插座上的缺口方向安装芯片，而插座本身也要按照电路板上的标记安装。


到这里，主板的焊接就算完成了。
完成所有操作后，电路板大致应该是这个样子。


主板处理完后，接下来安装显示屏。
套件里附带了排针，需要把它焊上。
安装好排针后，我会先焊最外侧的一根引脚，焊得漂不漂亮不重要，关键是要让排针紧贴电路板并与板面垂直。如果有必要，就加热焊点并调整排针的位置。
排针校正好后，再焊好其余触点。


好了，可以清洗电路板了。这次我决定先清洗再检查，虽然我通常建议等第一次通电后再清洗，因为有时还得再焊点什么。
不过实践证明，套件的情况简单得多，组装完成后很少还需要补焊。


清洗可以用不同的方法和材料，有人用酒精，有人用酒精和汽油的混合液，我用丙酮清洗电路板，至少目前还能买到。
清洗完我才想起上一篇评测里提到的刷子建议，因为我一直用棉花擦。没关系，这个实验只能留到下次了。


我工作中养成了一个习惯：清洗电路板后给它涂一层保护漆，通常涂在背面，因为漆沾到连接器上可不行。
我用的是 Plastik 70 保护漆。
这种漆很“轻”，也就是说，必要时可以用丙酮洗掉，也可以用烙铁直接焊接。还有一种不错的漆叫 Urethan，不过处理起来明显麻烦得多，它更坚固，用烙铁焊透要困难得多。这种漆适用于严苛的工作环境，也适用于确定在相当长一段时间内都不会再焊接电路板的情况。


涂上保护漆后，电路板看起来更有光泽，摸起来也更舒服，整个制作过程似乎也有了圆满收尾的感觉 :)
可惜照片没能呈现出整体效果。
有时人们会说些让我觉得好笑的话，比如：“这台录音机/电视/收音机修过，你看这焊接痕迹就知道了 :)”
焊接做得好、做得正确，就不会留下维修痕迹。只有专业人士才能看出设备是否维修过。


接下来该安装显示屏了。套件里配了4颗M3螺丝和两根安装柱。
显示屏只能从接口的背面固定，因为接口这一侧是靠接口本身支撑的。


先把安装柱装到主板上，再装上显示屏，最后用剩下的两颗螺丝把整个结构固定好。
让我挺满意的是，连安装孔都对得非常准，完全不用调整，直接插上拧紧螺丝就行了:)。


好了，可以试试了。
我给接口对应的引脚接上5 V电压，然后……
什么也没发生，只有背光亮了。
别慌，也不用马上去论坛找解决办法，一切正常，本来就该这样。
想想看，电路板上还有个微调电阻，它可不是摆设:)
用这个微调电阻调节显示屏的对比度。它一开始处于中间位置，所以我们什么也看不到，完全在意料之中。
拿起螺丝刀转动这个电阻，直到屏幕上的图像正常为止。
如果拧过头，对比度就会过高，所有字符都会显现出来，而有效段却几乎看不清。这时只要反方向转动电阻，直到未激活的部分几乎消失即可。
也可以调到完全看不见未激活的部分，不过我通常会让它们隐约可见。


接下来本该开始测试了，结果却没那么顺利。
拿到电路板时，我首先注意到，除了5 V，还需要+12 V和-12 V，也就是说总共要三种电压。我一下想起了РК86，当时需要+5、+12和-5 V，而且还必须按特定顺序接通。

5 V和+12 V都不成问题，-12 V却让我有点犯难。只好临时做了个小电源。
制作过程嘛，就是经典流程：翻箱倒柜找材料、画电路板走线，然后把板子做出来。


我手头只有单绕组变压器，又不想折腾开关电源，于是决定采用倍压电路来做电源。
说实话，这远不是最好的方案，因为这种电路的纹波比较大，而我留给稳压器滤除纹波的电压余量也刚刚够用。
上面是更规范的电路，下面是我实际采用的电路。
两者的区别在于变压器多了一组绕组，并多用了两只二极管。


变压器我选的规格也几乎没有余量。不过在市电电压正常时，它还是够用的。
我建议至少用2 VA的变压器，最好是3-4 VA，并且有两组15 V绕组。
顺便说一下，电路板的功耗很低，5 V供电时连背光一起算，电流也只有35-38 mA；12 V下的电流更小，不过会随负载变化。


最后做出来的是一块小电路板，尺寸比火柴盒稍大一些，主要是高度更高。


乍一看，电路板的走线似乎有些奇怪，因为把变压器旋转180度就能让走线更整齐。我一开始也是这么做的。
但这样一来，带市电电压的走线就会离仪器主板太近，存在危险，所以我决定稍微调整一下走线。不能说这样就很理想，但至少安全了一些。
可以去掉保险丝的位置，因为配合所用的变压器，保险丝并没有太大必要。这样会更好一些。


这是仪器的完整套件。为了把电源板和仪器主板连接起来，我焊了一个小型的4×4针硬连接器。


电源板通过连接器接到主板上，现在可以开始介绍仪器的工作方式并进行测试了。到这一步，组装就完成了。
当然，也可以把这些东西装进外壳里，不过对我来说，这种仪器更像是辅助工具，因为我已经开始关注更复杂的DDS信号发生器了。但它们的价格并不总是适合新手，所以我决定就这样保留。


开始测试前，先介绍一下设备的控制按键和功能。
电路板上有5个控制按键和一个复位键。
复位键的作用应该不用多说，下面详细介绍其余按键。
切换左右按键时有轻微的“抖动”，可能是软件消抖时间设得太短了。这个现象主要出现在HS模式下选择输出频率和频率步进时，其他模式下没有发现问题。
上、下键用于切换仪器的工作模式。
1.正弦波
2.方波
3.锯齿波
4.反向锯齿波


1.三角波
2.高频输出（使用独立的HS接口，其他波形从DDS输出）
3.类噪声信号（通过随机遍历DAC输出端的组合生成）
4.心电图信号模拟（用来说明可以生成任意波形）


1-2.DDS输出频率可在1-65535 Hz范围内调节，步进为1 Hz。
3-4.另有一个选项可用于选择调频步进，默认步进为100 Hz。
只有在关闭信号输出时，才能更改工作频率和模式。按左、右键进行调整。
按START键开始输出信号。


电路板上还装有两个可调电阻。
一个用于调节信号幅度，另一个用于调节偏置。
我试着用示波器波形图展示一下效果。
上面两张是输出信号电平的变化，下面两张是偏置调节。


接下来是测试结果。
除类噪声信号和高频信号外，所有信号都在以下4个频率下进行了测试：
1.1000 Hz
2.5000 Hz
3.10000 Hz
4.20000 Hz。
更高频率下衰减很大，因此展示这些示波器波形图意义不大。
先看正弦波。


锯齿波


反向锯齿波


三角波


DDS输出的方波


心电图波形


高频输出的方波
这里仅能从四个频率中选择，我也就测了这四个频率
1. 1 MHz
2. 2 MHz
3. 4 MHz
4. 8 MHz


类似噪声的波形，分别用示波器的两种扫描模式显示，这样更容易看清它是什么样的。


测试结果表明，频率从大约10 kHz开始，信号波形就有明显失真。起初我以为是简化版DAC的问题，也怀疑合成电路本身过于简单，不过还是想再仔细检查一下。
为了验证，我把示波器直接接到DAC输出端，并将合成器设为最高频率65535 Hz。
这下波形好多了，尤其要考虑到发生器当时工作在最高频率。我怀疑问题出在简单的放大电路上，因为信号到达运放之前明显“漂亮”得多。


最后来张初学无线电爱好者的小型“工作台”合影 :)


总结。
优点
电路板做工精良。
所有元件都齐全
组装过程没有遇到任何困难。
功能丰富

缺点
BNC接口之间距离太近
HS输出没有保护。

我的看法是，当然可以说这台仪器的性能很差，但要考虑到它只是入门级DDS信号发生器，期待它有更好的表现也不太现实。电路板质量很好，组装起来非常愉快，没有任何地方需要“修修补补”。考虑到这台仪器采用的是相当常见的电路方案，希望以后能有替代固件，进一步扩展功能。综合优缺点，我完全可以把这套件推荐给无线电爱好者新手作为入门之选。

呼，应该都写完了。如果哪里写错了，欢迎指出，我会修改/补充 :)

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