基于ML2035低頻正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

摘要： 在電子和通信產(chǎn)品中往往需要高精度的正弦信號(hào)， 而傳統(tǒng)的正弦信號(hào)發(fā)生器在輸出低頻時(shí)往往頻率穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高。而Micr o Linear 公司的ML2035 是一款運(yùn)用直接數(shù)字合成技術(shù)( DDS) 研制的正弦信號(hào)發(fā)生器， 它可以在幾乎不需要外部微處理器和其他外圍器件的條件下， 產(chǎn)生從0~ 25 kHz 的正弦信號(hào)， 通過外接晶振作為時(shí)鐘輸入， 通過74LS20 產(chǎn)生16 位頻率控制字來控制ML2035 的頻率輸出。因此利用此芯片設(shè)計(jì)了100 Hz 低頻正弦信號(hào)發(fā)生器電路， 可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)， 提高正弦信號(hào)的精度和穩(wěn)定度。

1 引 言

正弦信號(hào)發(fā)生器是一種廣泛應(yīng)用的信號(hào)源， 對(duì)它的要求也隨著技術(shù)的發(fā)展越來越高。傳統(tǒng)的正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生電路一般采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)， 低頻輸出的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高。為了要獲得高穩(wěn)定度的信號(hào)源， 往往要采用鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)， 但電路復(fù)雜且體積龐大。

隨著電路系統(tǒng)的數(shù)字化發(fā)展， 直接數(shù)字頻率合成( Direct DIGITAL Synthesizer, DDS) 作為一種波形產(chǎn)生方法， 得到了廣泛的應(yīng)用。DDS 技術(shù)具有產(chǎn)生頻率快速轉(zhuǎn)換、分辨率高、相位可控的信號(hào)。這在電子測(cè)量、雷達(dá)系統(tǒng)、調(diào)頻通信等領(lǐng)域具有十分重要的作用。若選用通常的DDS 芯片來實(shí)現(xiàn)低頻正弦信號(hào)發(fā)生器， 往往需要外部微處理器， 電路較為復(fù)雜。而ML2035可以不需要其他的外圍器件。

2 ML2035 的工作原理

ML2035 原理框圖如圖1 所示。其內(nèi)部主要由串行輸入接口、相位累加器、正弦波發(fā)生器和晶體振蕩器4 大部分組成。串行輸入接口電路負(fù)責(zé)將用戶輸入的16 位串行頻率控制字轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)， 并傳送給相位累加器， 控制相位生成的速度; 然后， 相位累加器把21 位累加和的高9 位作為有效數(shù)據(jù)傳送給正弦波發(fā)生器; 正弦波發(fā)生器把這9 位數(shù)據(jù)的最高位作為符號(hào)位，次最高位作為象限位， 低7 位作為正弦搜索表的查表地址， 以生成4 象限的波形樣值數(shù)據(jù); 最后， 波形數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)8 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器， 形成正弦脈沖波， 經(jīng)過一個(gè)低通濾波器平滑波形后輸出。下面分別介紹這4 部分的組成和原理。

圖1 M L2035 的原理框圖

2. 1 相位累加器

相位累加器如圖2 所示， 它是DDS 的核心部件， 由加法器和相位鎖存器構(gòu)成。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖， 相位寄存器的輸出就增加一個(gè)步長(zhǎng)的相位增量值， 加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加， 把相加結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器進(jìn)入線性相位累加， 至滿量程時(shí)產(chǎn)生一次計(jì)數(shù)溢出， 這個(gè)溢出頻率即為DDS 的輸出頻率。加法器A 組的低16 位( A15 ~ A0 ) 接串行輸入接口電路的16 位鎖存器輸出， 高5 位( A20 ~ A16 ) 全部接地。B 組( B20 ~ B0 ) 作為后端鎖存器的反饋輸入。

圖2 相位累加器

2. 2 正弦波發(fā)生器

正弦波發(fā)生器如圖3 所示。由相位累加器送來的低7 位地址碼和第8 位( 象限位) 先送到象限求補(bǔ)器。

象限位為0 時(shí)， 象限求補(bǔ)器保持地址碼不變; 象限位為1 時(shí)， 它對(duì)地址碼進(jìn)行模128 求補(bǔ)。在1 個(gè)T OUT 內(nèi)， 生成4 個(gè)的TO UT / 4 位地址碼。這些地址碼被送到ROM用于搜索對(duì)應(yīng)相位點(diǎn)的正弦波樣值， 以獲得2 個(gè)半波的正弦波樣值數(shù)據(jù)， 連同相位累加器的最高位一起送到符號(hào)求反器。這樣使得第一個(gè)半波不變， 第二個(gè)半波被倒相， 從而生成一個(gè)周期的完整正弦波樣值數(shù)據(jù)。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數(shù)據(jù)作為一個(gè)地址對(duì)正弦查詢表進(jìn)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(hào)， 驅(qū)動(dòng)DAC 做D/ A 轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號(hào); 低通濾波器平滑， 輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。

由DDS 的基本原理可以知道， 輸出的正弦信號(hào)將有可能出現(xiàn)誤差。對(duì)于不同的參考時(shí)鐘， 將產(chǎn)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。

圖3 正弦信號(hào)發(fā)生器

表1 ML2035 在常見的晶振下的頻率控制字和誤差

3 基于ML2035 的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

輸出的正弦信號(hào)的頻率可以由16 b 的串行比特字控制， 廣泛地應(yīng)用在輸出正弦波要求高的領(lǐng)域。

ML2035 的頻率設(shè)置值是通過SID 腳串行輸入的。數(shù)據(jù)在SCK 的上升沿移入。當(dāng)16 b 數(shù)據(jù)都進(jìn)入移位寄存器后， 在LAT 1 的下降沿鎖存。由于ML2035 的控制字是16 b, 因此據(jù)DDS 的原理可以得出ML2035 的輸出頻率關(guān)系式為：

相應(yīng)地，ML2035 的頻率分辨率為：

用ML2035 產(chǎn)生100 Hz 的正弦信號(hào)， 系統(tǒng)所用晶振選取6. 553 6 MHz, 通過輸出的頻率關(guān)系式( 1) 可以計(jì)算出16 b 的控制字為0000000010000000, 則由74LS20 產(chǎn)生16 b 的控制字輸入到ML2035 的SID 端， 控制ML2035 的輸出頻率為100 Hz 的正弦信號(hào)。通過ML2035 的LAT 1 端在時(shí)鐘的下降沿將頻率控制字鎖入16 b 數(shù)據(jù)鎖存器中。正弦信號(hào)發(fā)生器如圖4 所示。

圖4 100 H z 正弦信號(hào)發(fā)生器

輸出的脈沖時(shí)序圖如圖5 所示。

圖5 脈沖時(shí)序圖

則產(chǎn)生100 Hz 正弦波信號(hào)的控制字應(yīng)由f out = Q5.Q6.Q7.Q8 得出。

4 結(jié)語

由于ML2035 可以不需要外部處理器， 能夠在外圍器件較少的情況下， 產(chǎn)生精度和穩(wěn)定度較高的正弦信號(hào)。因此可以應(yīng)用ML2035 設(shè)計(jì)出頻率在0~ 25 kHz 的高穩(wěn)定的、高精度的正弦波形。由ML2035 的工作原理， 設(shè)計(jì)了100 Hz 的正弦信號(hào)發(fā)生器， 實(shí)驗(yàn)證明該信號(hào)發(fā)生器具有較高的穩(wěn)定度和精度。