Hochpräzise Wellenformgenerierung mit DAC-basiertem Custom PCB

Hochpräzise Wellenformgenerierung mit DAC-basiertem Custom PCB

In diesem Leitfaden gehen wir durch Firmware- und Hardware-Design, das schnelle, präzise willkürliche Wellenformen mit einem C8051F360 Mikrocontroller und einem Analog Devices TxDAC liefert.

Projektüberblick

Das Board zentriert sich um den C8051F360 MCU und einen TxDAC DAC. Die beiden ICs kommunizieren über einen parallelen Bus, was es uns ermöglicht, die DAC-Update-Rate an die Grenzen des 100 MHz Kern Takts des MCU zu pushen.

Vorherige Beiträge haben Schaltplan, Komponentenauswahl und PCB-Layout detailliert. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Firmware-Framework, das Daten vom Speicher zum DAC bewegt und eine stabile, hochpräzise Schnittstelle sicherstellt.

Designziele

• Hochpräzises Timing – Der AWG muss Signale erzeugen, die mathematischen Wellenformen mit minimalem Jitter entsprechen.
• Prozessor-Effizienz – Firmware muss parallel zu anderen Tasks laufen und den MCU reaktionsfähig halten.
• Maximale Geschwindigkeit – Ziel mindestens 10 MHz Sampling, was nutzbare Signale im 1–2 MHz Band liefert.

Abtaststrategie

Das Board nutzt einen MEMS-Oszillator mit ±50 ppm Stabilität. Die Firmware generiert eine 500 kHz Referenztakt für den DAC über den Programmable Counter Array (PCA).

Konfiguration erfolgt mit dem Silicon Labs Config2 Utility, da der C8051F360 nicht von Simplicity Studio’s eingebautem Tool unterstützt wird.

Wichtige PCA-Einstellungen:

/* PCA enabled; time base set to system clock (10 MHz) */
PCA0MD = 0x01; // Enable PCA
PCA0CPM0 = 0x40; // Timer mode, edge-triggered
PCA0CPH0 = 0x00; // High byte of compare value
PCA0CPL0 = 0x01; // Low byte of compare value (500 kHz)

Messung mit einem Tektronix MDO3104 Oszilloskop bestätigt einen 500 kHz Takt mit 50 % Tastverhältnis. Standardabweichung der Frequenz beträgt 13,54 Hz (0,0027 %) und des Tastverhältnisses 2,117 × 10⁻³ (0,0042 %). Histogrammanalyse zeigt vernachlässigbaren Jitter.

Datenuaktualisierung synchronisieren

Um DAC-Updates mit dem Takt zu synchronisieren, triggert die fallende Flanke der 500 kHz Rechteckwelle /INT0. Der DAC latcht Daten auf der steigenden Flanke, daher garantiert ein Update auf der fallenden Flanke stabile Daten.

Externer Interrupt 0 ist an Pin P0.7 konfiguriert, fallende-Flanke-sensitiv und höchster Priorität.

Interrupt Service Routine

Der gesamte Datentransfer erfolgt innerhalb der /INT0 ISR. Eine minimale Routine hält den Prozessor für andere Tasks frei:

SI_INTERRUPT(INT0_ISR, INT0_IRQn) {
    DAC_WORD--;
}

Hier ist DAC_WORD ein #define Alias für Port P2. Die einzelne Dekrement-Instruktion erzeugt eine lineare Rampe, die von 0 auf 255 umläuft und eine Sägezahn-Wellenform produziert. Der invertierende Ausgangsverstärker des DAC invertiert die Spannung, sodass die analoge Rampe zu steigen scheint.

Verifikation

Die Ausführung der Firmware erzeugt eine saubere Rampe-Wellenform. Ein Oszilloskop-Trace zeigt eine stabile 1 kHz Rampe mit 5 V Spitzen-Spitzen-Amplitude, was korrektes Timing und Datenhandling bestätigt.

Weitere Tests mit höheren Abtastraten (bis zu 10 MHz) demonstrieren die Fähigkeit des Boards, Multi-MHz-Wellenformen zu generieren, während der MCU mit anderen Tasks beschäftigt ist.

Für tiefere Einblicke in Schaltplan, Komponentenauswahl und PCB-Layout siehe die Begleitartikel dieser Serie.

Bereit, Ihren eigenen hochpräzisen AWG zu bauen? Laden Sie den Source herunter, starten Sie das Coding und lassen Sie die Firmware das nächste Level an Signaltreue antreiben.