基于ML2035低頻正弦信號發(fā)生器的設計

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)生器在輸出低頻時往往頻率穩(wěn)定度和精度等指標都不高。而Micr o Linear 公司的ML2035 是一款運用直接數(shù)字合成技術( DDS) 研制的正弦信號發(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， 產生從0~ 25 kHz 的正弦信號， 通過外接晶振作為時鐘輸入， 通過74LS20 產生16 位頻率控制字來控制ML2035 的頻率輸出。因此利用此芯片設計了100 Hz 低頻正弦信號發(fā)生器電路， 可以簡化設計， 提高正弦信號的精度和穩(wěn)定度。

1 引 言

正弦信號發(fā)生器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)生器產生電路一般采用模擬電路來實現(xiàn)， 低頻輸出的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標都不高。為了要獲得高穩(wěn)定度的信號源， 往往要采用鎖相環(huán)來實現(xiàn)， 但電路復雜且體積龐大。

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) 作為一種波形產生方法， 得到了廣泛的應用。DDS 技術具有產生頻率快速轉換、分辨率高、相位可控的信號。這在電子測量、雷達系統(tǒng)、調頻通信等領域具有十分重要的作用。若選用通常的DDS 芯片來實現(xiàn)低頻正弦信號發(fā)生器， 往往需要外部微處理器， 電路較為復雜。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責將用戶輸入的16 位串行頻率控制字轉化為并行數(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8 位的數(shù)模轉換器， 形成正弦脈沖波， 經(jīng)過一個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成。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(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加， 把相加結果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器進入線性相位累加， 至滿量程時產生一次計數(shù)溢出， 這個溢出頻率即為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) 先送到象限求補器。

象限位為0 時， 象限求補器保持地址碼不變; 象限位為1 時， 它對地址碼進行模128 求補。在1 個T OUT 內， 生成4 個的TO UT / 4 位地址碼。這些地址碼被送到ROM用于搜索對應相位點的正弦波樣值， 以獲得2 個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求反器。這樣使得第一個半波不變， 第二個半波被倒相， 從而生成一個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 做D/ A 轉換，輸出模擬信號; 低通濾波器平滑， 輸出頻譜純凈的正弦波信號。

由DDS 的基本原理可以知道， 輸出的正弦信號將有可能出現(xiàn)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。

圖3 正弦信號發(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 的低頻信號發(fā)生器的設計

輸出的正弦信號的頻率可以由16 b 的串行比特字控制， 廣泛地應用在輸出正弦波要求高的領域。

ML2035 的頻率設置值是通過SID 腳串行輸入的。數(shù)據(jù)在SCK 的上升沿移入。當16 b 數(shù)據(jù)都進入移位寄存器后， 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 的輸出頻率關系式為：

相應地，ML2035 的頻率分辨率為：

用ML2035 產生100 Hz 的正弦信號， 系統(tǒng)所用晶振選取6. 553 6 MHz, 通過輸出的頻率關系式( 1) 可以計算出16 b 的控制字為0000000010000000, 則由74LS20 產生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。通過ML2035 的LAT 1 端在時鐘的下降沿將頻率控制字鎖入16 b 數(shù)據(jù)鎖存器中。正弦信號發(fā)生器如圖4 所示。

圖4 100 H z 正弦信號發(fā)生器

輸出的脈沖時序圖如圖5 所示。

圖5 脈沖時序圖

則產生100 Hz 正弦波信號的控制字應由f out = Q5.Q6.Q7.Q8 得出。

4 結語

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， 產生精度和穩(wěn)定度較高的正弦信號。因此可以應用ML2035 設計出頻率在0~ 25 kHz 的高穩(wěn)定的、高精度的正弦波形。由ML2035 的工作原理， 設計了100 Hz 的正弦信號發(fā)生器， 實驗證明該信號發(fā)生器具有較高的穩(wěn)定度和精度。