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

　　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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)

　　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。