基于ML2035的簡(jiǎn)易正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：在電子和通信產(chǎn)品中往往需要高精度的正弦信號(hào)，而傳統(tǒng)的正弦信號(hào)發(fā)生器往往在低頻輸出時(shí)的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高。文中介紹了Micro Linear公司的一款單片正弦信號(hào)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(hào),并利用此芯片完成了簡(jiǎn)易正弦信號(hào)發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)源，正弦信號(hào)，ML2035, DDS

正弦信號(hào)源是一種廣泛應(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)生器往往在低頻輸出時(shí)的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高 。我們知道為了獲得高頻率穩(wěn)定度的信號(hào)源，往往采用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)，但這種方法電路復(fù)雜、體積龐大 。近年來(lái)，DDS技術(shù)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(hào),這在電子測(cè)量、雷達(dá)系統(tǒng)、調(diào)頻通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)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(hào)發(fā)生器，往往需要外部微處理器，因此電路較復(fù)雜，并且頻率穩(wěn)定度不佳。為此，本文將討論基于ML2035設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的正弦信號(hào)發(fā)生器，它具有外圍元器件少，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以不需要外部微處理器的特點(diǎn)。

ML2035是Micro Linear公司的一款單片正弦信號(hào)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(hào)，并且它的輸出正弦信號(hào)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(yīng)用于需要價(jià)格低、精度高的正弦信號(hào)發(fā)生器的無(wú)線通信或調(diào)制解調(diào)等領(lǐng)域。ML2035的主要特點(diǎn)如下：
● 輸出正弦信號(hào)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(dá)1.5Hz  （當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率為 時(shí)）；
● 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(hào)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(hào)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(jiǎn)單，它僅有8個(gè)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(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器。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,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。正弦查詢表是一個(gè)可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM),存儲(chǔ)的是以相位為地址的一個(gè)周期正弦信號(hào)的采樣編碼值,包含一個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息,每個(gè)地址對(duì)應(yīng)于正弦波中:   范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。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,輸出模擬信號(hào)；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(hào)。

由于ML2035的控制字長(zhǎng)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(guān)系式為 

                                                  (1)
相應(yīng)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(shí)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16 bits 數(shù)據(jù)字在時(shí)鐘SCK的上升沿時(shí)被送入16 bits的移位寄存器。需要注意的是，應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(duì)于便攜式產(chǎn)品是極其有利的。當(dāng)希望ML2035保持“休眠”時(shí)，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11.5 mW以下，而輸出正弦信號(hào)的幅度降到0 V。需要提及的是，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該對(duì)ML2035的電源輸入端進(jìn)行電源去耦處理，在電路設(shè)計(jì)中可以采用如圖1所示的電源去耦處理方案。


 圖1  ML2035的電源去耦處理方法

簡(jiǎn)易正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

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(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在常見的晶振下的頻率控制字和頻率誤差情況。


 表1  使用常見標(biāo)準(zhǔn)晶振時(shí)ML2035所需頻率控制字和頻率誤差情況

本文擬采用ML2035設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)易的頻率為1000Hz的高精度無(wú)頻率誤差的正弦信號(hào)發(fā)生器，由于低于3.5MHz的晶振通常價(jià)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16 bits控制位為1111 D1010 0000 0000，這樣輸出正弦信號(hào)的頻率誤差將在理論上達(dá)到0.00%。圖2便是實(shí)現(xiàn)該簡(jiǎn)易正弦信號(hào)發(fā)生器的電路原理圖，這里74HC4060計(jì)數(shù)器的功能是振蕩器和計(jì)時(shí)器，而74HC4002是高速CMOS 四與非門器件。為了實(shí)現(xiàn)ML2035的輸出正弦信號(hào)頻率為1000Hz，必須使在前8個(gè)脈沖移入8比特0，然后在接下來(lái)的后8個(gè)脈沖移入1111 1010。

 圖2 基于ML2035的1000Hz正弦信號(hào)發(fā)生器電路原理圖

結(jié)束語(yǔ) 

由于傳統(tǒng)的正弦信號(hào)發(fā)生器往往在低頻輸出時(shí)的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)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(hào)發(fā)生器，往往將導(dǎo)致電路復(fù)雜、體積龐大等問題。為此，本文討論了基于ML2035設(shè)計(jì)一輸出頻率為1000Hz的簡(jiǎn)易正弦信號(hào)發(fā)生器，并擬應(yīng)用在某雷達(dá)設(shè)備中。由于它具有外圍元器件少，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以不需要外部微處理器的特點(diǎn)。因此，ML2035可以廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)生價(jià)格低、精度高的正弦信號(hào)。

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