基于ML2035低頻正弦信號發(fā)生器的設計

　　1 引 言

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

　　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，得到了廣泛的應用。DDS 技術具有產(chǎn)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(tǒng)、調(diào)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(xiàn)低頻正弦信號發(fā)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(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責將用戶輸入的16 位串行頻率控制字轉化為并行數(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8 位的數(shù)模轉換器， 形成正弦脈沖波，經(jīng)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(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， 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。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(nèi)，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(shù)據(jù)，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(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 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(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。

　　圖3 正弦信號發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)在SCK 的上升沿移入。當16 b 數(shù)據(jù)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(jù)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(chǎn)生100 Hz 的正弦信號，系統(tǒng)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(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。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(shù)據(jù)鎖存器中。正弦信號發(fā)生器如圖4 所示。

　　圖4 100 H z 正弦信號發(fā)生器

　　輸出的脈沖時序圖如圖5 所示。

　　圖5 脈沖時序圖

　　則產(chǎn)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(chǎn)生精度和穩(wěn)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(wěn)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(fā)生器，實驗證明該信號發(fā)生器具有較高的穩(wěn)定度和精度。

　　正弦波信號發(fā)生器基本原理與設計

　　正弦信號發(fā)生器主要由兩部分組成：正弦波信號發(fā)生器和產(chǎn)生調(diào)幅、調(diào)頻、鍵控信號。正弦波信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成DDS技術，在CPLD上實現(xiàn)正弦信號查找表和地址掃描，經(jīng)D/A輸出可得到正弦信號。具有頻率穩(wěn)定度高，頻率范圍寬，容易實現(xiàn)頻率步進100Hz。

　　1、正弦波形的產(chǎn)生

　　單向DDS由Nbit相位累加器和ROM只讀存儲器(正弦查找表)構成的數(shù)控振蕩源(NCO)，數(shù)模轉換器(DAC)、低通平滑濾波器(LPF)構成，圖1所示為DDS的基本結構。

　　圖1中fc為時鐘頻率，K為頻率控制字，N為相位累加器的字長，M為ROM地址線位數(shù)，L為ROM數(shù)據(jù)線寬度，f0為輸出頻率。相位累加器由全加器和累加寄存器級聯(lián)組成。在時鐘頻率fc的控制下，對輸入頻率控制字K進行累加，累加滿量時就產(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對應于該時刻合成周期信號的相位，并且這個相位是周期性的，在0～2π范圍內(nèi)變化。相位累加器位數(shù)為N，最大輸出為2N-1，對應于2π的相位，累加1次就輸出1個相應的相位碼，地址以查表方式，得到對應相位的信號幅度值，經(jīng)過數(shù)模轉換，就可以得到一定頻率的信號輸出波形，低通濾波器對輸出的信號波形進行平滑處理，濾除雜波和諧波。

　　由于控制字K經(jīng)過2N/K次累加，相位累加器滿量溢出，完成1個周期運算，所以輸出頻率f0由fc和K共同決定，即f0=fcK/2N且K《2N-1，得到DDS的最小分辨率可達fc/2N。理論上通過設定DDS相位累加器的位數(shù)N、頻率控制字K和時鐘頻率fc的值，就可以產(chǎn)生任一頻率的輸出。根據(jù)頻率步進100Hz的要求，選取累加器的位數(shù)為19位，計算出時鐘頻率fc應為52.4288MHz。步進的累計誤差通過軟件補償?shù)姆椒ㄟM行修正，利用現(xiàn)有的52.4160MHz晶振完全精確地實現(xiàn)步進100Hz的要求。

　　2、產(chǎn)生模擬幅度調(diào)制信號

　　用調(diào)制信號去控制高頻振蕩的幅度，使其幅度的變化量隨調(diào)制信號成正比地變化，這一過程稱為幅度調(diào)制。若載波為uc=Uccosωct，調(diào)制信號為f(t)=cosΩt，則調(diào)幅波為

　　uAM(t)=Uc[1+macosΩt]cosωct(1)

　　普通調(diào)幅波利用模擬相乘器實現(xiàn)，但是外圍電路復雜，改變調(diào)制度需改變電路元件的參數(shù)，實現(xiàn)起來繁瑣?？梢圆捎肅PLD芯片結合DDS技術靈活的實現(xiàn)數(shù)字調(diào)幅，原理如圖2所示。

　　由DDS產(chǎn)生的波形信號作為載波，在單片機內(nèi)部作調(diào)制信號為1kHz的正弦波形存儲表，根據(jù)鍵盤所設定的調(diào)制度ma(10%～100%)與存儲表中的數(shù)據(jù)相乘的結果送CPLD與DDS得到的波形相乘，再與DDS信號相加就產(chǎn)生相應的數(shù)字調(diào)幅波編碼，經(jīng)D/A轉換得到模擬調(diào)幅信號。

　　3、產(chǎn)生模擬頻率調(diào)制信號

　　在連續(xù)波調(diào)制中，載波可表示為uc=Uccosωct，調(diào)制信號為UΩ(t)，調(diào)頻波是瞬時頻率的變化量與調(diào)制信號成正比，因此調(diào)頻波的瞬時角頻率除了載波角頻率ωc外，還附加一項和調(diào)制信號成正比的部分ω(t)=ωc+Δωf(t)，Δωp(t)=kfuΩ(t)，式中kf為比例系數(shù)，是單位調(diào)制信號強度引起的頻率變化。Δωf(t)的最大值Δωf稱為最大頻偏，反映在頻率上為f(t)=fc+Δfcos(2πft)，調(diào)頻波的表達式：

　　UFM(t)=Uccos[(fc+Δfcos(2πft)t](2)

　　圖3為CPLD數(shù)字調(diào)頻電路，頻偏為5K時的控制字是50，將余弦波形與50相乘，并與單片機傳遞的頻率控制字相加，送入DDS模塊經(jīng)D/A轉換就可以輸出調(diào)頻波，其設計原理圖如圖4所示。

　　4、產(chǎn)生二進制PSK、ASK信號

　　用數(shù)字基帶信號去控制高頻正弦波的幅度就是振幅鍵控調(diào)制ASK。在CPLD內(nèi)部只需要根據(jù)所設定的二進制基帶序列碼對產(chǎn)生的DDS波形進行處理，二進制基帶序列為1時波形通過，序列為0時輸出0，仿真波形如圖5所示。移相鍵控PSK是數(shù)字基帶信號去控制載波的相位。

　　它是利用載波不同相位或相位變化來傳遞信息的。PSK的實現(xiàn)方法是根據(jù)數(shù)字基帶信號的兩個電平(或符號)使載波相位在兩個不同的數(shù)值之間切換，兩個載波相位通常相差180°，波形如圖6所示。

　　5、輸出信號調(diào)理部分

　　D/A轉換電路如圖7所示，選用的是12位高速D/A器件AD9713，該器件具有更好的靜態(tài)性能和動態(tài)特性。AD9713B更新速率可達100MS/s。由于該D/A轉換器是針對DDS、波形重構和高質(zhì)量圖像信號處理等應用而設計的，這款芯片在動態(tài)特性方面表現(xiàn)特別突出，并且具有優(yōu)良的諧波抑制能力。AD9713輸出滿量程電流輸出是由VCONTROLAMPIN和RSET決定的，圖7中AD9713采用內(nèi)部參考電壓，輸出滿量程電流為-20mA。

　　幅度調(diào)節(jié)電路是由放大器組成。高頻信號放大要求放大器有足夠的輸出電壓轉換速率，在正弦波的情況下，放大器所需要的最大擺率SR=2πω=2πAf，其中ω為信號的角頻率，A為信號幅度，f為頻率。此外，幅度調(diào)節(jié)電路要求帶低阻負載，放大器的電流輸出能力也是個重要參數(shù)，要在50Ω負載上輸出6V信號，則放大器至少要有120mA的連續(xù)電流輸出能力。考慮以上原因，本文選擇AD公司的高速運放AD811作為輸出放大器，它是一個寬帶高速電流反饋型運算放大器，其各項參數(shù)非常適合上述指標：小信號帶寬(G=+2時)達120MHz，電壓擺率SR為2500V/μs，全諧波失真THD為-74dB(10MHz)，輸出電流達100mA，其短路輸出電流可達150mA。

　　幅度調(diào)節(jié)電路如圖8所示，圖中R3和R4起分流作用，限制用于I/V轉換的電流，1個電流反饋的高速放大電路。它把AD9713輸出的電流轉換成電壓，通過反饋電阻Rf的電流決定AD811輸出的幅度為6V。為了增大后級的帶負載能力設計了后級電壓跟隨，模擬輸出的最后部分是濾波電路，濾波器的選擇主要取決于系統(tǒng)所要輸出的波形，在50Ω的負載電阻上的電壓峰峰值為6±1V。

　　6、頻率值的接收與顯示

　　鍵盤、顯示部分用來實現(xiàn)用戶與單片機的交互。系統(tǒng)采用中斷查詢的方式接收通過鍵盤輸入的頻率值。該頻率值一方面送到數(shù)碼顯示接口進行顯示，另一方面轉化成頻率控制字送往相位累加模塊。

　　7、系統(tǒng)軟件設計

　　8、功能及指標測試

　　利用測試儀器：EE1641B1型函數(shù)信號發(fā)生器/計數(shù)器，直流穩(wěn)壓電源GPS-3303C、60MHz示波器TDS1002，高頻測試儀等對設計的信號發(fā)生器進行性能測試。正弦波的頻率范圍、步進、在50Ω負載上的輸出電壓幅度，失真度測量如表1所示，頻率穩(wěn)定度測量如表2所示，步進為10%的幅度調(diào)制測試如表3所示，調(diào)制信號為1kHz的頻率調(diào)制測試如圖10所示，二進制PSK、ASK如圖11和圖12所示。

　　經(jīng)過測試可以得到，本文設計的系統(tǒng)可達以下性能指標：

　　1)正弦波輸出頻率范圍1kHz～10MHz。

　　2)具有頻率設置功能，頻率步進100Hz。

　　3)輸出信號頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4。

　　4)輸出電壓幅度在50Ω負載電阻上的電壓峰-峰值Vopp≥1V。

　　5)失真度用示波器觀察時無明顯失真。

　　綜合分析各項指標的測試結果發(fā)現(xiàn)，該設計頻率變化范圍大，信號穩(wěn)定度高，失真度好，達到了性能良好的設計要求。

　　信號發(fā)生器如何發(fā)出雙脈沖?

　　信號發(fā)生器是一種用于產(chǎn)生各種信號波形的儀器。雙脈沖信號是一種特殊的信號波形，由兩個脈沖組成，通常用于測試和測量系統(tǒng)的響應和性能。在本文中，將詳細介紹信號發(fā)生器如何發(fā)出雙脈沖信號，并提供相應的步驟和示例。

　　1. 確定信號發(fā)生器的特性和功能

　　在使用信號發(fā)生器之前，需要先了解信號發(fā)生器的特性和功能。常見的信號發(fā)生器可以產(chǎn)生多種波形，例如正弦波、方波、三角波等，并具有調(diào)節(jié)頻率、幅度、相位等參數(shù)的能力。了解信號發(fā)生器的特性和功能，將有助于我們更好地理解如何產(chǎn)生雙脈沖信號。

　　2. 確定雙脈沖信號的參數(shù)

　　在開始生成雙脈沖信號之前，需要確定信號的關鍵參數(shù)。這些參數(shù)通常包括脈沖的寬度、脈沖的周期、脈沖的相對位置等。確定這些參數(shù)將對信號發(fā)生器的設置產(chǎn)生重要影響，因此請確保對這些參數(shù)有清晰的理解。

　　3. 設置信號發(fā)生器

　　根據(jù)雙脈沖信號的參數(shù)設置信號發(fā)生器。首先，選擇一個適當?shù)牟ㄐ危绶讲āＨ缓?，設置波形的頻率、幅度和相位。根據(jù)雙脈沖信號的要求，設置脈沖的寬度和周期。最后，調(diào)整脈沖的相對位置，確保兩個脈沖之間有所間隔。

　　4. 確定觸發(fā)方式

　　在生成雙脈沖信號時，觸發(fā)方式也是一個重要的因素。觸發(fā)方式?jīng)Q定了信號發(fā)生器何時開始發(fā)出信號。信號發(fā)生器通常提供內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)兩種方式。在創(chuàng)建雙脈沖信號時，可以根據(jù)需要選擇適當?shù)挠|發(fā)方式。

　　5. 生成雙脈沖信號

　　完成信號發(fā)生器的設置后，可以開始生成雙脈沖信號。根據(jù)所選擇的觸發(fā)方式，觸發(fā)信號發(fā)生器，使其開始產(chǎn)生信號。通過示波器或其他測量設備，可以檢測到信號發(fā)生器發(fā)出的雙脈沖信號。

　　示例：

　　為了更好地理解如何生成雙脈沖信號，以下是一個簡單的示例。

　　1. 假設我們要生成一個周期為1秒的雙脈沖信號，其中每個脈沖的寬度為0.1秒。我們將使用方波作為我們的信號波形。

　　2. 首先，我們選擇方波作為波形。然后，設置波形的頻率為1Hz，幅度為5V，并將相位設置為0。

　　3. 接下來，根據(jù)雙脈沖信號的要求，設置脈沖的寬度和周期。在這個示例中，將脈沖的寬度設置為0.1秒，周期設置為1秒。

　　4. 最后，調(diào)整脈沖的相對位置，使得兩個脈沖之間有0.8秒的間隔。這可以通過調(diào)整相位來實現(xiàn)。

　　5. 設置完畢后，觸發(fā)信號發(fā)生器，使其開始發(fā)出信號。使用示波器測量信號，可以看到雙脈沖信號的波形。

　　總結：

　　在本文中，我們詳細介紹了信號發(fā)生器如何發(fā)出雙脈沖信號。通過了解信號發(fā)生器的特性和功能，確定雙脈沖信號的參數(shù)，設置信號發(fā)生器，選擇合適的觸發(fā)方式，并生成雙脈沖信號。給出了一個示例，進一步說明了如何生成雙脈沖信號。