基于ML2035低頻正弦信號發生器的設計

摘要： 在電子和通信產品中往往需要高精度的正弦信號， 而傳統的正弦信號發生器在輸出低頻時往往頻率穩定度和精度等指標都不高。而Micr o Linear 公司的ML2035 是一款運用直接數字合成技術( DDS) 研制的正弦信號發生器， 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 低頻正弦信號發生器電路， 可以簡化設計， 提高正弦信號的精度和穩定度。

1 引 言

正弦信號發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展越來越高。傳統的正弦信號發生器產生電路一般采用模擬電路來實現， 低頻輸出的頻率的穩定度和精度等指標都不高。為了要獲得高穩定度的信號源， 往往要采用鎖相環來實現， 但電路復雜且體積龐大。

隨著電路系統的數字化發展， 直接數字頻率合成( 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、調頻通信等領域具有十分重要的作用。若選用通常的DDS 芯片來實現低頻正弦信號發生器， 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據， 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 位作為有效數據傳送給正弦波發生器; 正弦波發生器把這9 位數據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 象限的波形樣值數據; 最后， 波形數據傳送到一個8 位的數模轉換器， 形成正弦脈沖波， 經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， 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。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 正弦波發生器

正弦波發生器如圖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據， 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據。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 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。數據在SCK 的上升沿移入。當16 b 數據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 數據鎖存器中。正弦信號發生器如圖4 所示。

圖4 100 H z 正弦信號發生器

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 的正弦信號發生器， 實驗證明該信號發生器具有較高的穩定度和精度。