基于ML2035的簡易正弦信號發(fā)生器

摘要：在電子和通信產(chǎn)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MicroLinear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(chǎn)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(xiàn)，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(chǎn)生頻率快速轉(zhuǎn)換、分辨率高、相位可控的信號,這在電子測量、雷達系統(tǒng)、調(diào)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(xiàn)簡單，可以不需要外部微處理器的特點。
　　 ML2035是MicroLinear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(chǎn)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(diào)制解調(diào)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(shù)據(jù)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(nèi)部晶振；
●具有同步和異步的數(shù)據(jù)加載功能。
正弦信號的產(chǎn)生
　 ML2035的基本原理和DDS一樣，它內(nèi)部主要由正弦信號產(chǎn)生、晶振和串行數(shù)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(zhuǎn)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(gòu)成,它類似一個簡單的計數(shù)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(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。相位累加器進入線性相位累加,累加至滿量程時產(chǎn)生一次計數(shù)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(shù)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(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(qū)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(jù)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(shù)字接口
　　ML2035的控制可以通過芯片的串行數(shù)字接口實現(xiàn)，數(shù)字接口部分主要由移位寄存器和數(shù)據(jù)鎖存器組成。SID引腳上的16bits數(shù)據(jù)字在時鐘SCK的上升沿時被送入16bits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(shù)據(jù)被鎖存進數(shù)據(jù)鎖存器。為了確保數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(chǎn)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11.5mW以下，而輸出正弦信號的幅度降到0V。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1ML2035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(xiàn)誤差。對于不同的參考時鐘，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。

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16bits控制位為1111D101000000000，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(xiàn)該簡易正弦信號發(fā)生器的電路原理圖，這里74HC4060計數(shù)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(xiàn)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11111010。

圖2基于ML2035的1000Hz正弦信號發(fā)生器電路原理圖
結(jié)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(xiàn)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(chǎn)生價格低、精度高的正弦信號。