基于ML2035低频正弦信号发生器的设计

摘要： 在电子和通信产品中往往需要高精度的正弦信号， 而传统的正弦信号发生器在输出低频时往往频率稳定度和精度等指标都不高。而Micr o Linear 公司的ML2035 是一款运用直接数字合成技术( DDS) 研制的正弦信号发生器， 它可以在几乎不需要外部微处理器和其他外围器件的条件下， 产生从0~ 25 kHz 的正弦信号， 通过外接晶振作为时钟输入， 通过74LS20 产生16 位频率控制字来控制ML2035 的频率输出。因此利用此芯片设计了100 Hz 低频正弦信号发生器电路， 可以简化设计， 提高正弦信号的精度和稳定度。

1 引 言

正弦信号发生器是一种广泛应用的信号源， 对它的要求也随着技术的发展越来越高。传统的正弦信号发生器产生电路一般采用模拟电路来实现， 低频输出的频率的稳定度和精度等指标都不高。为了要获得高稳定度的信号源， 往往要采用锁相环来实现， 但电路复杂且体积庞大。

随着电路系统的数字化发展， 直接数字频率合成( Direct DIGITAL Synthesizer, DDS) 作为一种波形产生方法， 得到了广泛的应用。DDS 技术具有产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号。这在电子测量、雷达系统、调频通信等领域具有十分重要的作用。若选用通常的DDS 芯片来实现低频正弦信号发生器， 往往需要外部微处理器， 电路较为复杂。而ML2035可以不需要其他的外围器件。

2 ML2035 的工作原理

ML2035 原理框图如图1 所示。其内部主要由串行输入接口、相位累加器、正弦波发生器和晶体振荡器4 大部分组成。串行输入接口电路负责将用户输入的16 位串行频率控制字转化为并行数据， 并传送给相位累加器， 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 位作为有效数据传送给正弦波发生器; 正弦波发生器把这9 位数据的最高位作为符号位，次最高位作为象限位， 低7 位作为正弦搜索表的查表地址， 以生成4 象限的波形样值数据; 最后， 波形数据传送到一个8 位的数模转换器， 形成正弦脉冲波， 经过一个低通滤波器平滑波形后输出。下面分别介绍这4 部分的组成和原理。

2. 1 相位累加器

相位累加器如图2 所示， 它是DDS 的核心部件， 由加法器和相位锁存器构成。每来一个时钟脉冲， 相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值， 加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加， 把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加， 至满量程时产生一次计数溢出， 这个溢出频率即为DDS 的输出频率。加法器A 组的低16 位( A15 ~ A0 ) 接串行输入接口电路的16 位锁存器输出， 高5 位( A20 ~ A16 ) 全部接地。B 组( B20 ~ B0 ) 作为后端锁存器的反馈输入。

2. 2 正弦波发生器

正弦波发生器如图3 所示。由相位累加器送来的低7 位地址码和第8 位( 象限位) 先送到象限求补器。

象限位为0 时， 象限求补器保持地址码不变; 象限位为1 时， 它对地址码进行模128 求补。在1 个T OUT 内， 生成4 个的TO UT / 4 位地址码。这些地址码被送到ROM用于搜索对应相位点的正弦波样值， 以获得2 个半波的正弦波样值数据， 连同相位累加器的最高位一起送到符号求反器。这样使得第一个半波不变， 第二个半波被倒相， 从而生成一个周期的完整正弦波样值数据。将相位寄存器的输出与相位控制字相加得到的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址， 查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号， 驱动DAC 做D/ A 转换，输出模拟信号; 低通滤波器平滑， 输出频谱纯净的正弦波信号。

由DDS 的基本原理可以知道， 输出的正弦信号将有可能出现误差。对于不同的参考时钟， 将产生不同程度的频率误差， 表1 例举了ML2035 在常见的晶振下的频率控制字和频率误差情况。

表1 ML2035 在常见的晶振下的频率控制字和误差

3 基于ML2035 的低频信号发生器的设计

输出的正弦信号的频率可以由16 b 的串行比特字控制， 广泛地应用在输出正弦波要求高的领域。

ML2035 的频率设置值是通过SID 脚串行输入的。数据在SCK 的上升沿移入。当16 b 数据都进入移位寄存器后， 在LAT 1 的下降沿锁存。由于ML2035 的控制字是16 b, 因此据DDS 的原理可以得出ML2035 的输出频率关系式为：

相应地，ML2035 的频率分辨率为：

用ML2035 产生100 Hz 的正弦信号， 系统所用晶振选取6. 553 6 MHz, 通过输出的频率关系式( 1) 可以计算出16 b 的控制字为0000000010000000, 则由74LS20 产生16 b 的控制字输入到ML2035 的SID 端， 控制ML2035 的输出频率为100 Hz 的正弦信号。通过ML2035 的LAT 1 端在时钟的下降沿将频率控制字锁入16 b 数据锁存器中。正弦信号发生器如图4 所示。

输出的脉冲时序图如图5 所示。

则产生100 Hz 正弦波信号的控制字应由f out = Q5.Q6.Q7.Q8 得出。

4 结语

由于ML2035 可以不需要外部处理器， 能够在外围器件较少的情况下， 产生精度和稳定度较高的正弦信号。因此可以应用ML2035 设计出频率在0~ 25 kHz 的高稳定的、高精度的正弦波形。由ML2035 的工作原理， 设计了100 Hz 的正弦信号发生器， 实验证明该信号发生器具有较高的稳定度和精度。