正弦波信号は、実際には、引数Xの線形値を使用した方程式Y = Sin（X）の解です。マイクロコントローラーからデジタル信号を取得するには、関数値をデジタル/アナログコンバーター（DAC）に送信する必要があります。 これは、正弦波信号を取得するには、引数Xの各値に対する関数Yの値を知る必要があることを意味します（実際、Xは信号の位相の値を決定します）。 関数のすべての値をマイクロコントローラーで直接計算できますが、計算値の高精度を確保するには、高性能プロセッサー、または浮動小数点を操作するモジュールが必要です。 マイクロコントローラでの値の計算には時間がかかるため、計算の速度を確保するために、既製の関数値を取得してメモリにロードします。 出力信号の滑らかさを確保し、デジタル/アナログコンバーターの特性の非線形性に関連する誤差を減らすには、できるだけ多くの正弦値が必要です。 したがって、メモリにはサインのサンプルが用意されています。 これらのサンプルを正弦波にするには、前のサンプルから一定時間後に各サンプルがDACに供給されるように、サンプルを何らかの方法でストレッチする必要があります。 これには、基準周波数発生器が必要です。 このようなジェネレータは、一定のデューティサイクルのパルスを生成します。 最も単純な場合、これらのパルスはカウンタに送信され、カウンタは出力で一連の増加コードを生成します。 カウンターの出力のコードは、メモリ（ROM）の次のカウントのアドレスを示します。 ROMは、コードに従って、これらのアドレスのメモリに含まれる関数値を出力で提供します。これらの値はDACに送信され、DACの出力は理想的な周波数のサインを持ちます。 サイン周波数はクロック周波数に対応します。 周波数調整を確実にするには、何らかの方法で基準発振器の周波数を調整する必要があります。 最も単純なケースでは、分周器がカウンターとジェネレーターの間に配置されます。 このような分周器を使用すると、特定の制限内で周波数を再配置できます。 チューニングの制限は、加算器の容量と基準発振器の周波数に依存します。 この場合の再構成は、特定の値でのみ可能です。これは、除算が2の倍数である場合にのみ可能であるためです。
このようなジェネレーターの最も単純な回路を図1に示します。基準周波数ジェネレーター（G）が含まれています。 周波数コード（除算係数）、カウンター（CT）、ROM、DAC、フィルターがロードされる除算器。 この場合のフィルターは、出力でデジタル信号を平滑化するために必要です。 DACは、特定の信号レベルのみを提供するデジタルデバイスです。 サンプリング周波数が低いほど、出力信号のステップ特性がより顕著になります。 サンプリング周波数によって生じる誤差を除去するために、出力で信号フィルターが使用されます。 最も単純な場合、これは単純なRCチェーンですが、有用な信号を高周波でフィルタリングできるため、DACの速度特性を考慮する必要があります。
最も簡単なDDSスキーマを次に示します。 その中の多くの要素を置き換えて、完成させることができます。 たとえば、カウンターをより複雑なデバイスに交換すると、いわゆる 位相アキュムレータを使用すると、位相シフトなしの周波数調整や、全期間ではなく正弦値の期間の4分の1を使用する機能など、より多くの機会が得られますが、この記事のフレームワーク内では、このような合併症は考慮されません。
現在、DDSは個別のチップとして実行されます。 このような超小型回路では、目的の信号のパラメーターを読み込んで基準周波数発生器を接続するだけで十分であり、出力でデジタル正弦波を取得します。これは、特定のパラメーターでフィルター処理するのに十分です。 このようなジェネレーターにより、最大1.4 GHzの周波数を取得できます。 これらには、1つの欠点があります。 直接デジタル合成ジェネレーターは、多くの場合、周波数ジェネレーターとして正確に使用されるため、出力信号の振幅は安定していません。
コントローラーを使用して正弦波を生成する別の方法は、PWM方式+パッシブRCフィルターです。 PWM-パルス幅変調。 パルスのデューティサイクルを調整することにより、目的の一定の信号振幅を取得できます。 パルスが広いほど、フィルタの両端の出力電圧が高くなります。 電圧はゼロから供給電圧に変更できます。
したがって、パルスのデューティサイクルを調整するための特定のプログラムを指定すると、出力は正弦波を含む任意の形状の信号を受信できます。 最も単純なケースでは、回路を図2に示します。
このようなジェネレーターは安価であり、最も重要なことは、マイクロコントローラーを使用してデジタル信号をアナログに変換する最も簡単に実装できる方法です。 特別なマイクロサーキットや複雑な回路ソリューションは必要ありません。 このようなジェネレーターを作成するときに必要なのは、有効な信号を遮断しないように、所定のカットオフ周波数で出力フィルターを計算することだけです。 確かに、低い高調波歪み係数を達成することは難しいため、そのような発電機で高い計測特性を達成することは不可能です。 ジェネレータの別のバージョンを使用すると、低レベルの高調波歪みを実現できます。
ジェネレータの3番目のバージョンは、「Wien Bridge」と呼ばれるスキームに基づいています。 この回路の本質は、フィードバックに2つのRC回路を備えたアンプを使用することです。 1つのシリアルと1つのパラレル。 このようなジェネレーターの図を図3に示します。
この回路では、RCチェーンの要素が厳密に同一でなければならないことを考慮する必要があります。 そうしないと、回路が安定しなくなります。 これらの効果を低減するために、自動ゲイン制御やその他のトリックなど、さまざまなトリックが使用されます。 最も単純なケースでは、電球などの非線形要素によって自動制御が実行されます。 しかし、そのような発電機の周波数の再構築は困難です。 可変コンデンサを使用する必要があり、これにより回路が大幅に複雑になります。 この方法は優れていますが、主に特定の周波数または小さな調整範囲を持つ周波数の生成に適しています。
上記のスキームにはさまざまなオプションと変更があります。 これらのスキームに加えて、記事の主題との矛盾のためにここでは説明しなかったアナログソリューションがあります。 結論として、実行する必要のあるタスクに応じて、各スキームを選択し、可能な実装を作成する必要があると言いたいと思います。 私の仕事は、非常に安定した正弦波信号を同時に生成し、信号に高次の高調波を追加できる、正確な正弦波信号発生器を作成することです。 このタスクを達成するための最善の方法は、DACに送信された値を使用して、マイクロコントローラーで正弦関数の値を直接計算することです。 このような実装により、各スキームの欠点を考慮に入れて、私のタスクに特に必要な技術的な実装を実行できます。 同時に、安定した振幅を作成し、回路機能によって導入された高調波歪みを除去し、かなり安定したジェネレーターを取得できます。 そして、最終的なエラーは、どの要素が選択されるか、およびアルゴリズムがどの程度単純化されるかによってのみ決まります。 したがって、基本構造は変更されませんが、特定のクラスの問題に対する柔軟なソリューションを取得できます。
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ソース：
1. DDS：直接デジタル周波数合成。 作成者：Ridiko L.I. [電子リソース]：記事-http://www.digit-el.com/files/articles/dds.pdf-12.25.2013
2. Wienブリッジの低高調波テスト信号発生器[電子リソース]：記事-http://myelectrons.ru/wien-bridge-oscillator-low-thd/-2013/12/26