Stm32 + Микроконтроллеры

Недавно узнал о простейшей схеме с названием R2R-ЦАП, а поскольку являюсь совсем уж начинающим радиолюбителем, то решил ее реализовать. С одной стороны это вполне себе цифровая схема, а с другой стороны на выходе получается аналоговый сигнал. Вполне себе учебная "задачка" из разряда "помигать светодиодом". Ну а в заметке опишу, что же в итоге удалось получить - вдруг опытные и знающие люди подскажут и помогут теми или иными ценными советами :), которые будут также полезны и всем другим начинающим радиолюбителям.

Для начала на макетной платке припаял резисторы. В качестве номинала взял 100 Ом и 200 Ом. Почему такие номиналы? Ну какие-то надо было взять. Так что выбор номиналов был по сути случайный. Изначально сделал в ЦАПе 12 бит, но в последствии использовал из них только 10 бит. Дело в том, что smd-резисторы с типоразмером 0805 брал самые простые. Точность номинала на них указана в 5%, что изначально должно ограничить характеристики схемы. Поэтому сразу возникла идея провести для получившейся схемы минимальную калибровку, поскольку правильные значения на выходе R2R-ЦАПе получаются только при "идеальном" значении резисторов. На плате STM32F103C6T6 в наличии имеется 12-битный АЦП, при этом пишут, что такой ЦАП имеет внутренние шумы, а значит делать калибровку для ЦАПа, работающего в режиме 12-бит, вряд ли имело смысл. Вот и ограничился в итоге для ЦАПа 10-битами.

Итак, самый первый сигнал который стал формироваться с помощью получившегося ЦАПа - это пила, то есть повторяющиеся кусочки простой линейной функции.

Здесь сделаю небольшое отступление про осциллограф. Чтобы в целом придерживаться формата "Опыт начинающего радиолюбителя". Когда выбирал свой первый и на данный момент единственный осциллограф, то самым главным критерием для меня была ... Угадали? Да, конечно это была цена. В ситуации, когда не было никакого опыта выбора осциллографов, брал самый дешевый. И это оказался Fnirsi 1014D, который обошелся мне в 11'625 рублей. Возможно "цифровой" Hantek обошелся бы дешевле, причем с лучшими характеристиками, но хотелось получить осциллограф именно с экранчиком, все как у настоящих осциллографов, чтобы все было по "взрослому". Покупал естественно на aliexpress. И еще наверное меня очень сильно подкупило, что доставка была всего 5 дней, видимо сразу со склада в России. Иногда, особенно по началу так тягостно ждать очередной посылки с aliexpress. И как это обычно бывает самые "полезные" обзоры, в которых был полный разгром данной модели, попались уже после покупки. Но лично мне данный осциллограф тем не менее помог очень сильно и не раз. Например, без него в принципе не смог бы разобрать свои ошибки в программировании SPI-обмена с платой WizNet 5500. Ну и еще такой момент. Когда в старших классах был физический практикум (привет "Трем Кубикам" :)), то пару занятий были посвящены работе с осциллографами. А это были еще старые советские осциллографы, с люминофорными экранами. Это было волшебно! Щелкать тумблерами, ждать пока осциллограф немного прогреется. Но занятий было всего пару штук. И наиграться тогда вдоволь не получилось. Но это удалось сделать с Fnirsi :). Закрыть так сказать гельштат.

Напишу также пару слов и про плату WizNet 5500 и плату STM32F103C6T6 со всеми ее "коварствами" после STM32F103C8T6. Плата WizNet 5500 позволяет, где-то за 300-350 рублей (последние цены не смотрел) снабдить bluepill-плату ethernet-интерфейсом, при этом сразу с UDP и TCP соединениями на уровне wiznet-библиотеки для микроконтроллера, реализованными в wiznet-чипе аппаратно. Мне разобраться в примерах было не просто, но так или иначе установить tcp-соединение с компьютером в итоге получилось. Естественно изначально хочется зарезервировать скорость обмена по-больше, про запас, а то вдруг потом не хватит! Поэтому настроил SPI на stm'ке на 36 МГц. Но реализовав обмен по tcp-сокетам заметил, что часть пакетов иногда теряется. И этого в tcp!!! Без разрыва сокетного-соединения!!! Да как такое вообще возможно!!! Но тут скорее все дело в том, что максимальная заявленная скорость для Wiznet 5500 по SPI - это 33 МГц (как обычно совершенно случайно где-то на просторах интернета встретил такие строки). Снижать скорость на SPI до 18 МГц еще не пробовал. Но с микроконтроллерами постоянно какие-то "обломы". Вот только что все работало. Добавил пару строк в прошивку - и вот уже не работает ничего, а самое главное не получается вернуться на работающие состояние :(((. Но зато как приятно и спокойно становиться, когда разбираешься в причинах очередного "косяка".

Теперь, чем же надо мной так "подшутила" плата STM32F103C6T6. И дело тут, не подумайте плохого, вовсе не в жадности, а дело тут в самой что ни на есть, мать ее, экономии, потому что "гадость", но зато на свои. Платы STM32F103C8T6 продаются за 130-150 рублей. (Возможно это все нелицензионные копии, но мне на неработающие платы попадать не приходилось, тут стараюсь смотреть на рейтинг магазина.) Немного добавишь, и уже blackpill на 84 МГц заместо 72МГц от 180 рублей можно найти. А вот STM32F103C6T6 находятся за 90-100 рублей (и это если не сильно долго искать). В общем жаба начинает душить во всю мочь. Ну подумаешь там 10Kb и 32Kb флеш-памяти заместо 20Kb и 64Kb. Мне вполне вроде бы этого хватает. Короче так я подумал, заказал и забыл. Совсем забыл, что заказал STM32F103C6T6. А когда стал заливать прошивку - бац, и ничего не работает. Диодики не мигают. Что делать? Неужели платка превратилась в кирпич. А за ней еще одна. А за ней еще одна. Ужас охватил меня... Так что пришлось тут научиться подключать отладчик gdb с помощью st-util (спасибо, добрым товарищам написавшим посты про это на форумах). И затем вслед за микроконтроллером впадать в ступор, когда самая обычная, самая первая операция ST выводит микроконтроллер в астрал. И только потом обратить внимание на эти самые 10Kb, которые как в ничем не бывало оказывается печатает программа прошивки в консоль, и что надо править ld-скрипт для изменения установки начального адреса стека. А еще таймеров там меньше, и SPI'ев меньше, а самое неожиданное - там еще и GPIO-портов меньше доступно, что уже совсем подло, с учетом того, что внешне платы ну ничем не отличаются. Но пенять тут надо конечно только на себя самого.

Вот в такие моменты результирующие значения напряжения и могут "проседать". Но то что без использования (безумно дорогих) прецензионных резисторов в ЦАПе будут искаженные выходные значения вполне допускалось. При измерении итоговых значений на выходе ЦАПа для каждого 10-битного значения делалось усреднение по 32 измерениями. При повторном проходе все средние значения в целом подтвердились, однако чувствительная дисперсия все-таки наблюдается. Но тут и собрано все на коленках, и проводки не экранированы (подсмотрел такое оправдание в интернете), и шумы в АЦП есть, так что танцоры если что мы хорошие, а это все они - те самые шумы. Еще тут конечно можно задаться вопросом, а насколько постоянный уровень напряжения на ножках микроконтроллера (использование powerbank'а в качестве источника напряжения видимого эффекта не дало). Но для проверки нужна видимо аппаратура совсем другого класса и стоимости. А откуда все это у простого начинающего радиолюбителя? Тем не менее приведу график построенный из измеренных значений:

Как видно значения ЦАПа вместо линейной функции выдают почти "линейную" функцию со скачками. Но раз таблица получена, то можно для каждого значения, которое нужно получить на выходе из ЦАПа найти такую комбинацию из 10 битов, которые дадут наиболее близкое значение к требуемому. И тогда простой сортировкой для конкретной платы ЦАПа получается таблица обратного поиска, по которой для требуемого значения находится оптимальная комбинация битов. И вуаля, у нас получается второй график, на котором все возможные значения на выходе из ЦАПа, уже выстроены в монотонную функцию:

К последнему графику надо дать следующие пояснения. Зеленым цветом приведен график просто линейной функции. А "фиолетовым" цветом изображен график функции, составленной из наиболее оптимальных возможных табличных значений, полученных с помощью калибровки. При этом значения из таблицы подбираются так, чтобы получить как можно более близкие значения к линейной функции. Приведу следующий график, на котором просто увеличен масштаб:

Здесь уже лучше заметны фиолетовые горизонтальные полоски. Полоски появляются там, где плотность табличных значений меньше и приходится одно и тоже табличное значение использовать несколько раз подряд. Но в целом плотность значений получается на качественном уровне достаточно хорошая. И теперь вооружившись калибровочной таблицей сформируем на ЦАПе снова всю ту же линейную функцию, только вместо увеличения на единицу на каждом шаге битового значения из 10-битов, будем использовать битовый код подобранный с помощью таблицы:

На последнем графике выводятся сразу два линейных сигнала по очереди. В одном используются подобранные битовые коды, а во втором - как и ранее прямая "наивная" последовательность битовых кодов. Там где прямая "наивная" последовательность - там есть скачки. Там где последовательность подобранных битовых кодов - сигнал получается "монотонным". Ну а дрожание сигнала время от времени спишем на неэкранированные проводки. Снова вооружившись таблицей, теперь попробуем сделать синусоиду. На один период синусоиды возьмем 32 значения, так что 33 значение начнет уже следующий период, поэтому совпадет с начальным значением. Значения, благодаря, калибровочной таблице должны быть монотонны (на участках монотонности синусоиды). Правда как оказалось просто дискретные скачки будут по-страшнее всякой небольшой не монотонности. Так что в итоге получим примерно следующую картинку:

В целом удалось получить гармонический сигнал с частотой в 204 КГц, ну или почти гармонический сигнал :). Как писать оптимальные циклы для микроконтроллера не знаю, я сделал (на Си) простой бесконечный цикл из LD, ST, ADD и AND, где операция AND обрезает индекс после инкремента и тем самым зацикливает чтение. С этой точки зрения цикл для сигнала с длиной равной степени двойки будет наиболее быстрым. А потому будет давать более высокую частоту сигнала. По моим прикидкам длительность одной итерации цикла составляет 6МГц, то есть с такой частотой можно менять значения сигнала, длина которого есть степень двойки (32*204КГц = 6.528МГц).

Теперь попробуем увеличить частоту гармонического сигнала, для чего возьмем всего 6 точек на один период синусоиды и не будем при этом слишком строги к результату :)

Да, это тоже синусоида. Ну и что не синусоидная. Зато частота в 857КГц. И потом все очень сильно зависит от масштаба и точки взгляда :). Возьмем, например, предыдущую синусоиду и сделаем из нее конфетку простым изменением масштаба по времени и амплитуде. При подходящем масштабе для 32-точечной синусоиды все ОЧЕНЬ ГЛАДКИМ становится и "шершавости" совсем незаметны:

Быстро сказка сказывается, да не скоро дело делается. А как же фильтры нижних частот спросите Вы. А как же, слыхали и про них, слыхали. И даже такое страшное название как ФНЧ-Баттервота 7-ого порядка встречать доводилось. В интернете и не такое можно встретить. Благо найти и онлайн ФНЧ-калькулятор не сложно. Но есть две загвоздки. Опять не очень понятно как правильно выбирать сопротивление (согласование каскадов, входное и выходное сопротивление, импеданс - все это пока страшные заклинания). А вторая загвоздка более серьезная - в наличии у меня были индуктивности только на десятки и сотни нГн, а вот на десятки и единицы мкГн - увы, не ма. И приедут они только через несколько недель. А именно такие значения индуктивностей выдает онлайн калькулятор для частоты среза в 2-3 МГц. Единственное, что оставалось так это допаять RC-фильтр (первого порядка?). Снова берем значение резистора наобум и выбираем 560 Ом. Подбираем значение конденсатора в 180пФ, чтобы частота среза была примерно 1.6МГц.

И в принципе для 32-точечной синусоиды даже RC-фильтр заметно помогает. Она действительно становится практически гладкой, ну насколько об этом можно судить из осциллографа:

Кое-что RC-фильтр делает и для 6-точечной синусоиды, хотя уже и не так много:

К сожалению попробовать что-нибудь по-солиднее, чем RC-фильтр пока нет возможности. Поэтому вопрос, а можно ли получить приличную синусоиду на 1МГц с помощью STM32F103C6T6 (работающей на частоте 72МГц) и R2R-ЦАПа лично для меня пока остается открытым.

Итого подведем небольшой итог. Стоимость STM32F103C6T6 составляет порядка 100 рублей. Кусочек текстолита с набором SMD-компонент в лице резисторов, конденсаторов и индуктивностей (для Баттерворта 7-ого порядка) оценим также в 100 рублей. Соответственно получаем ЦАП за 200 рублей для сигнала с частотой на 200КГц, возможно с достаточно произвольной формой по частоте и амплитуде. А вот можно ли выправить фильтрами синусоиду с частотой в 1 МГц из 6 точек на период пока не понятно.

Есть конечно AD9834, который выдает синусоиду аж на целых 37.5МГц, но стоимость готовой платки, если не ошибаюсь, начинается уже от 1800 рублей. Сам чип возможно получиться и за 700-800 рублей найти (а то и 500 рублей), но тогда надо самому делать плату. А сны про черную и белую магию уровня "развести плату" пока только сами снятся в других снах :). Да и 37.5МГц тоже как бы не предел мечтаний. Но самое главное, что хотя на плате два выхода, на самом деле это один сигнал. Дифференциальный это сигнал или нет, да и что такое это самое дифференциальный сигнал и как с ним работать для меня сплошная тайна.

Есть AD9851, у которого вроде бы две синусоиды и максимальная частота уже 70МГц. Это уже почти хорошо, но это надо проверять. Можно ли эти синусоиды синхронно сдвинуть ровно на четверть периода и действительно ли их две независимых. Цена у AD9851 при этом уже более комфортная. Тем не менее пишут, что шумов много, а реальная максимальная частота скорее 50МГц - 60МГц. Малова-то.

Есть еще конечно и AD9959 с ценой готовой платы от 6000 рублей. Там сразу 4 выхода и частота синусоиды уже вроде как 200МГц, а это уже предел (текущих) мечтаний. Но 6000 это 6000. Кроме того, странно что выхода на плате 4, а вот сигналы у самого чипа вроде как тоже сдвоенные (дифференциальные?), а значит выходов должно быть 8. Не понятно. В общем цена у AD9959 пока совсем не "симпатичная".

С другой стороны продаются платы с ADF4351, который уже не DDS, а именно, что генератор частоты, если конечно правильно все понял. Там цена готовой платы уже где-то в районе 1700 рублей (видимо недавно цена на них снизилась, может быть много их наклепали). И частоты от 35МГц до каких-то сказочных и фантастически-невозможных 4.4ГГц, и вроде бы два выходных сигнала. Но опять это похоже сдвоенные выходы одного сигнала. Есть у ADF4351 и вход для внешней clock-частоты. Но что это за частота, какая форма сигнала допустима и как она влияет на выходной сигнал. Что-то вроде бы написано про задержку фазы, и если задержку фазу действительно можно настраивать, то на первый взгляд из двух ADF4351 при общем источнике внешней частоты можно собрать две синхронных синусоиды. Да еще с практически с любой частотой, хоть 1ГГц. Но так ли это на самом деле.

Если все-таки немного еще пофантазировать и помечтать, то для повышения частоты R2R-ЦАПа напрашивается использование ПЛИС. И есть даже OMDAZZ с его частой в 50МГц. Лежит, пылится, все по принципу как знал, как знал, что "пригодится". Наверное, можно с OMDAZZ вытянуть частоту синусоиды до ~10МГц, если выход действительно можно сгладить фильтрами. Осталось только чуть-чуть освоить verilog и сделать первую самую простенькую прошивку - делов-то (впрочем, если серьезно, то осваивать verilog по принципу google/yandex-поиск и копи-паст все равно наверное придется). Если гипотетически рассмотреть условно восемь параллельных выходов, которые соединяются электронными ключами, то тем самым получается буферизация для выходного сигнала. А переключение идет с помощью счетчика, тактируемого с частотой умноженной в 8 раза по сравнению с частотой ПЛИС, при этом все 8 выходов устанавливаются за один такт ПЛИС. Вот только логических элементов с частотой переключения ~500МГц как-то не наблюдается на горизонте. Пара ADF4351 выглядит перспективней по частотам, но поди их собери вместе. И тогда видимо альтернативы для платы с AD9959 и ее ценой в 6000 рублей для получения двух синхронных синусоид с частотой 100МГц, сдвинутых относительно друг друга на четверть периода, похоже не особо просматривается.