基于ML2035的簡易正弦信號發(fā)生器設計

摘要：在電子和通信產品中往往需要高精度的正弦信號，而傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器往往在低頻輸出時的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標都不高。文中介紹了Micro Linear公司的一款單片正弦信號發(fā)生芯片ML2035，它可以在幾乎不需要其它外圍器件的條件下，產生從直流到25kHz的正弦信號,并利用此芯片完成了簡易正弦信號發(fā)生器電路的設計。

關鍵詞：信號發(fā)生器，信號源，正弦信號，ML2035, DDS

正弦信號源是一種廣泛應用的信號源,對它的要求也隨著技術的發(fā)展越來越高。傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器往往在低頻輸出時的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標都不高 。我們知道為了獲得高頻率穩(wěn)定度的信號源，往往采用鎖相環(huán)實現，但這種方法電路復雜、體積龐大 。近年來，DDS技術由于具有容易產生頻率快速轉換、分辨率高、相位可控的信號,這在電子測量、雷達系統(tǒng)、調頻通信、電子對抗等領域得到了十分廣泛的應用 。然而，如果選用通常的Analog公司的系列DDS芯片研制低頻正弦信號發(fā)生器，往往需要外部微處理器，因此電路較復雜，并且頻率穩(wěn)定度不佳。為此，本文將討論基于ML2035設計簡易的正弦信號發(fā)生器，它具有外圍元器件少，電路實現簡單，可以不需要外部微處理器的特點。

ML2035是Micro Linear公司的一款單片正弦信號發(fā)生芯片，它可以在幾乎不需要其它外圍器件的條件下，產生直流到25kHz的正弦信號，并且它的輸出正弦信號頻率可以由16比特的串行比特字控制 。因此，ML2035可以廣泛地應用于需要價格低、精度高的正弦信號發(fā)生器的無線通信或調制解調等領域。ML2035的主要特點如下：
● 輸出正弦信號頻率為直流到25kHz；
● 具有低增益誤差和低諧波畸變性能；
● 具有3線SPI兼容性串行微處理器接口，并具有數據鎖存功能；
● 具有不需要外圍器件的全集成解決方案功能；
● 頻率分辨率可達1.5Hz  （當輸入時鐘頻率為 時）；
● 自帶 的內部晶振；
● 具有同步和異步的數據加載功能。
 
正弦信號的產生

ML2035的基本原理和DDS一樣，它內部主要由正弦信號產生、晶振和串行數字接口等部分組成。但是，ML2035的外圍電路及其簡單，它僅有8個引腳。ML2035的可編程頻率發(fā)生器的基本原理和直接頻率合成器（DDS）的基本原理完全一樣。我們知道，DDS芯片一般由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、D/ A 轉換器和低通濾波器組成。DDS芯片的核心部件是相位累加器,它由N 位加法器與N 位相位寄存器構成,它類似一個簡單的計數器。每來一個時鐘脈沖,相位寄存器的輸出就增加一個步長的相位增量值,加法器將頻率控制數據與累加寄存器輸出的累加相位數據相加,把相加結果送至累加寄存器的數據輸入端。相位累加器進入線性相位累加,累加至滿量程時產生一次計數溢出,這個溢出頻率即為DDS的輸出頻率。正弦查詢表是一個可編程只讀存儲器(PROM),存儲的是以相位為地址的一個周期正弦信號的采樣編碼值,包含一個周期正弦波的數字幅度信息,每個地址對應于正弦波中:   范圍的一個相位點。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數據作為一個地址對正弦查詢表進行尋址,查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號,驅動DAC,輸出模擬信號；低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量,以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。

由于ML2035的控制字長為16比特，因此據DDS的原理我們不難得出ML2035的輸出頻率關系式為 

                                                  (1)
相應地，ML2035的頻率分辨率（亦最小頻率）為

                                     (2)
串行數字接口 
ML2035的控制可以通過芯片的串行數字接口實現，數字接口部分主要由移位寄存器和數據鎖存器組成。SID引腳上的16 bits 數據字在時鐘SCK的上升沿時被送入16 bits的移位寄存器。需要注意的是，應該先送最低位，最后送最高位。然后在LAI的下降沿觸發(fā)下，送入移位寄存器的數據被鎖存進數據鎖存器。為了確保數據的有效鎖存，LAI的下降沿應該發(fā)生在SCI為“低”電平期間。同理，在SID數據移入移位寄存器期間，LAI應該保持“低”電平。
 
電源方式 

ML2035具有電源“休眠”功能，這樣可以有效提高電源的使用效率，這對于便攜式產品是極其有利的。當希望ML2035保持“休眠”時，可以向移位寄存器輸入全“0”，并向LATI加載“1”使其保持高電平。在這種情況下，ML2035的功耗可以降到11.5 mW以下，而輸出正弦信號的幅度降到0 V。需要提及的是，在電路設計中應該對ML2035的電源輸入端進行電源去耦處理，在電路設計中可以采用如圖1所示的電源去耦處理方案。


 圖1  ML2035的電源去耦處理方法

簡易正弦信號發(fā)生器設計

由DDS的基本原理可以知道，由于ML2035頻率分辨能力有限，輸出的正弦信號將有可能出現誤差。對于不同的參考時鐘，將產生不同程度的頻率誤差，表1例舉了ML2035在常見的晶振下的頻率控制字和頻率誤差情況。


 表1  使用常見標準晶振時ML2035所需頻率控制字和頻率誤差情況

本文擬采用ML2035設計一簡易的頻率為1000Hz的高精度無頻率誤差的正弦信號發(fā)生器，由于低于3.5MHz的晶振通常價格較高且體積較大，故這里選用6.5536的晶振。由式（1）可以得知需要的頻率控制字為1280，因此需要的16 bits控制位為1111 D1010 0000 0000，這樣輸出正弦信號的頻率誤差將在理論上達到0.00%。圖2便是實現該簡易正弦信號發(fā)生器的電路原理圖，這里74HC4060計數器的功能是振蕩器和計時器，而74HC4002是高速CMOS 四與非門器件。為了實現ML2035的輸出正弦信號頻率為1000Hz，必須使在前8個脈沖移入8比特0，然后在接下來的后8個脈沖移入1111 1010。

 圖2 基于ML2035的1000Hz正弦信號發(fā)生器電路原理圖

結束語 

由于傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器往往在低頻輸出時的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標都不高，如果選用通諸如Analog公司的DDS系列芯片研制低頻正弦信號發(fā)生器，往往將導致電路復雜、體積龐大等問題。為此，本文討論了基于ML2035設計一輸出頻率為1000Hz的簡易正弦信號發(fā)生器，并擬應用在某雷達設備中。由于它具有外圍元器件少，電路實現簡單，可以不需要外部微處理器的特點。因此，ML2035可以廣泛地應用于產生價格低、精度高的正弦信號。

參考文獻
[1] 白振華,趙興群,夏翎,袁帥. 基于DDS的任意波形發(fā)生器. 現代科學儀器, 2001（6）: 44-47.
[2] 王文欽.高質量微波信號源發(fā)生器研制.電子質量,2004(2): 12-14.
[3] 王永,劉志強,劉碩. DDS在任意波形發(fā)生器中的應用. 儀表技術,2001(4): 22-23.
[4] Mcro Linear Corporation. ML2035 datasheet. 1997.