低频正弦信号发生器的设计

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  摘要: 在电子和通信产品中往往需要高精度的正弦信号, 而传统的正弦信号发生器在输出低频时往往频率稳定度和精度等指标都不高。而运用直接数字合成技术( DDS) 研制的正弦信号发生器, 它可以在几乎不需要外部微处理器和其他外围器件的条件下, 产生从0~ 25 kHz 的正弦信号, 通过外接晶振作为时钟输入, 通过74LS20 产生16 位频率控制字来控制ML2035 的频率输出。因此利用此芯片设计了100 Hz 低频正弦信号发生器电路, 可以简化设计, 提高正弦信号的精度和稳定度。

  1 引 言

  正弦信号发生器是一种广泛应用的信号源, 对它的要求也随着技术的发展越来越高。传统的正弦信号发生器产生电路一般采用模拟电路来实现, 低频输出的频率的稳定度和精度等指标都不高。为了要获得高稳定度的信号源, 往往要采用锁相环来实现, 但电路复杂且体积庞大。

  随着电路系统的数字化发展, 直接数字频率合成( Direct Digital Synthesizer, DDS) 作为一种波形产生方法, 得到了广泛的应用。DDS 技术具有产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号。这在电子测量、雷达系统、调频通信等领域具有十分重要的作用。若选用通常的DDS 芯片来实现低频正弦信号发生器, 往往需要外部微处理器, 电路较为复杂。

  2  工作原理

  如图1 所示。其内部主要由串行输入接口、相位累加器、正弦波发生器和晶体振荡器4 大部分组成。串行输入接口电路负责将用户输入的16 位串行频率控制字转化为并行数据, 并传送给相位累加器, 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 位作为有效数据传送给正弦波发生器; 正弦波发生器把这9 位数据的最高位作为符号位,次最高位作为象限位, 低7 位作为正弦搜索表的查表地址, 以生成4 象限的波形样值数据; 最后, 波形数据传送到一个8 位的数模转换器, 形成正弦脉冲波, 经过一个低通滤波器平滑波形后输出。下面分别介绍这4 部分的组成和原理。

图1 M L2035 的原理框图

 

图1 原理框图

 

  2. 1 相位累加器

  相位累加器如图2 所示, 它是DDS 的核心部件, 由加法器和相位锁存器构成。每来一个时钟脉冲, 相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值, 加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加, 把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加, 至满量程时产生一次计数溢出, 这个溢出频率即为DDS 的输出频率。加法器A 组的低16 位( A15 ~ A0 ) 接串行输入接口电路的16 位锁存器输出, 高5 位( A20 ~ A16 ) 全部接地。B 组( B20 ~ B0 ) 作为后端锁存器的反馈输入。

图2  相位累加器

图2 相位累加器