基于ML2035低頻正弦信號發生器的設計

　　1 引 言

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

　　隨著電路系統的數字化發展，直接數字頻率合成( Direct Digital Synthesizer， DDS) 作為一種波形產生方法，得到了廣泛的應用。DDS 技術具有產生頻率快速轉換、分辨率高、相位可控的信號。這在電子測量、雷達系統、調頻通信等領域具有十分重要的作用。若選用通常的DDS 芯片來實現低頻正弦信號發生器，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。其內部主要由串行輸入接口、相位累加器、正弦波發生器和晶體振蕩器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據， 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 位作為有效數據傳送給正弦波發生器;正弦波發生器把這9 位數據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 象限的波形樣值數據;最后，波形數據傳送到一個8 位的數模轉換器， 形成正弦脈沖波，經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據與累加寄存器輸出的累加相位數據相加，把相加結果送至累加寄存器的數據輸入端。相位累加器進入線性相位累加， 至滿量程時產生一次計數溢出，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 正弦波發生器

　　正弦波發生器如圖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，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據，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據。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數據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誤差。對于不同的參考時鐘，將產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。數據在SCK 的上升沿移入。當16 b 數據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 產生100 Hz 的正弦信號，系統所用晶振選取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 數據鎖存器中。正弦信號發生器如圖4 所示。

　　圖4 100 H z 正弦信號發生器

　　輸出的脈沖時序圖如圖5 所示。

　　圖5 脈沖時序圖

　　則產生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，產生精度和穩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 的正弦信號發生器，實驗證明該信號發生器具有較高的穩定度和精度。

　　正弦波信號發生器基本原理與設計

　　正弦信號發生器主要由兩部分組成：正弦波信號發生器和產生調幅、調頻、鍵控信號。正弦波信號發生器采用直接數字頻率合成DDS技術，在CPLD上實現正弦信號查找表和地址掃描，經D/A輸出可得到正弦信號。具有頻率穩定度高，頻率范圍寬，容易實現頻率步進100Hz。

　　1、正弦波形的產生

　　單向DDS由Nbit相位累加器和ROM只讀存儲器(正弦查找表)構成的數控振蕩源(NCO)，數模轉換器(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，L為ROM數據線寬度，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范圍內變化。相位累加器位數為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，經過數模轉換，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N、頻率控制字K和時鐘頻率fc的值，就可以產生任一頻率的輸出。根據頻率步進100Hz的要求，選取累加器的位數為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的方法進行修正，利用現有的52.4160MHz晶振完全精確地實現步進100Hz的要求。

　　2、產生模擬幅度調制信號

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

　　uAM(t)=Uc[1+macosΩt]cosωct(1)

　　普通調幅波利用模擬相乘器實現，但是外圍電路復雜，改變調制度需改變電路元件的參數，實現起來繁瑣。可以采用CPLD芯片結合DDS技術靈活的實現數字調幅，原理如圖2所示。

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

　　3、產生模擬頻率調制信號

　　在連續波調制中，載波可表示為uc=Uccosωct，調制信號為UΩ(t)，調頻波是瞬時頻率的變化量與調制信號成正比，因此調頻波的瞬時角頻率除了載波角頻率ωc外，還附加一項和調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，是單位調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)，調頻波的表達式：

　　UFM(t)=Uccos[(fc+Δfcos(2πft)t](2)

　　圖3為CPLD數字調頻電路，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D/A轉換就可以輸出調頻波，其設計原理圖如圖4所示。

　　4、產生二進制PSK、ASK信號

　　用數字基帶信號去控制高頻正弦波的幅度就是振幅鍵控調制ASK。在CPLD內部只需要根據所設定的二進制基帶序列碼對產生的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的實現方法是根據數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性能和動態特性。AD9713B更新速率可達100MS/s。由于該D/A轉換器是針對DDS、波形重構和高質量圖像信號處理等應用而設計的，這款芯片在動態特性方面表現特別突出，并且具有優良的諧波抑制能力。AD9713輸出滿量程電流輸出是由VCONTROLAMPIN和RSET決定的，圖7中AD9713采用內部參考電壓，輸出滿量程電流為-20mA。

　　幅度調節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，幅度調節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，要在50Ω負載上輸出6V信號，則放大器至少要有120mA的連續電流輸出能力。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。

　　幅度調節電路如圖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、顯示部分用來實現用戶與單片機的交互。系統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、系統軟件設計

　　8、功能及指標測試

　　利用測試儀器：EE1641B1型函數信號發生器/計數器，直流穩壓電源GPS-3303C、60MHz示波器TDS1002，高頻測試儀等對設計的信號發生器進行性能測試。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，頻率穩定度測量如表2所示，步進為10%的幅度調制測試如表3所示，調制信號為1kHz的頻率調制測試如圖10所示，二進制PSK、ASK如圖11和圖12所示。

　　經過測試可以得到，本文設計的系統可達以下性能指標：

　　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)輸出信號頻率穩定度優于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現，該設計頻率變化范圍大，信號穩定度高，失真度好，達到了性能良好的設計要求。

　　信號發生器如何發出雙脈沖?

　　信號發生器是一種用于產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的響應和性能。在本文中，將詳細介紹信號發生器如何發出雙脈沖信號，并提供相應的步驟和示例。

　　1. 確定信號發生器的特性和功能

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

　　2. 確定雙脈沖信號的參數

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

　　3. 設置信號發生器

　　根據雙脈沖信號的參數設置信號發生器。首先，選擇一個適當的波形，例如方波。然后，設置波形的頻率、幅度和相位。根據雙脈沖信號的要求，設置脈沖的寬度和周期。最后，調整脈沖的相對位置，確保兩個脈沖之間有所間隔。

　　4. 確定觸發方式

　　在生成雙脈沖信號時，觸發方式也是一個重要的因素。觸發方式決定了信號發生器何時開始發出信號。信號發生器通常提供內部觸發和外部觸發兩種方式。在創建雙脈沖信號時，可以根據需要選擇適當的觸發方式。

　　5. 生成雙脈沖信號

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

　　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。這可以通過調整相位來實現。

　　5. 設置完畢后，觸發信號發生器，使其開始發出信號。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生器如何發出雙脈沖信號。通過了解信號發生器的特性和功能，確定雙脈沖信號的參數，設置信號發生器，選擇合適的觸發方式，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。