dds正弦波信號發(fā)生器

在數字信號處理器飛速發(fā)展的今天，微處理器的應用已主領著電子技術領域的潮流，先進的數字信號處理技術，能實現各種復雜的功能。對正弦波信號發(fā)生器而言，數字DDS技術的誕生，使波形發(fā)生器技術有了進一步的飛躍。就數字DDS波形發(fā)生器和模擬振蕩器對比而言，具有輸出頻率精度高，波形失真小，可由單片機或DSP微處理器對其進行通訊控制其輸出頻率，從而實現用數控方式來精確控制其輸出頻率，以適應高精度儀表或智能化系統信號發(fā)生器應用，從而克服傳統方式通過模擬振蕩帶來的頻率調整分辨率低，穩(wěn)定性較差，無法實現和微處理器接口的智能化的缺點?；谠撔酒軐崿F很寬范圍的輸出頻率和可輸出任何波形的特點。本文以DDS技術，介紹一種寬范圍正弦波發(fā)生器的芯片。

數字頻率合成技術芯片ML2035 DDS(Digitai Direct Frequency Synthesis)是一種全數字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A轉換器和低通濾波器構成。時鐘頻率給定后，輸出信號的頻率取決于頻率控制字；頻率分辨率取決于累加器位數；相位分辨率取決于ROM的地址線位數；幅度量化噪聲取決于ROM的數據位字長和DIA轉換器位數等。基于DDS信號發(fā)生器有如下優(yōu)點：(1)頻率分辨率高，輸出頻點多，可達N個頻點(N為相位累加器位數)；(2)頻率切換速度快，可達μs量級；(3)頻率切換時相位連續(xù)；(4)可以輸出寬帶正交信號；(5)輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用；(6)可以產生任意波形；(7)全數字化便于集成，體積小，重量輕。 DDS的核心部件是相位累加器，它由N位加法器與N位相位寄存器構成，類似一個簡單的計數器。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，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。正弦查詢表是一種可編程只讀存儲器(PROM)，存儲的是以相位為地址的一個周期正弦信號的采樣編碼值和包含一個周期正弦波的數字幅度信息，每個地址對應于正弦波中0～360°范圍中的一個相位點。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，輸出模擬信號。低通濾波器濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。隨著電子工程領域的實際需要以及數字集成電路和微電子技術的發(fā)展，DDS技術日益顯露出它的優(yōu)越性。

ML2035就是Micro Linear公司的一款基于DDS技術的單片正弦信號發(fā)生芯片，它可以在幾乎不需要其他外圍器件的條件下，產生從直流到25kHz的正弦信號。該芯片具有如下特點：●輸出正弦信號頻率為直流到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，并具有數據鎖存功能；●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1．5Hz(±0．75Hz)(當輸入時鐘頻率為12MHz時)；●自帶3～12MHz的內部晶振；●具有同步和異步的數據加載功能。

該芯片兼容SPI通訊接口，通訊控制可以通過單片機或DSP以SPI協議模式寫入需要的頻率，其通訊時序見圖2，各個電平的邏輯持續(xù)時間見表20芯片的數字接口部分，主要由移位寄存器和數據鎖存器組成。 SID引腳上的16bits數據字在時鐘SCK的上升沿時被送入16bits的移位寄存器。需要注意的是，應該先送最低位，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據被鎖存進數據鎖存器。為了確保數據的有效鎖存，LAI的下降沿應該發(fā)生在SCI為"低"電平期間。同理，在SID數據移位寄存器期間，LAI應該保持"低"電平。

由于ML2035的控制字長為16比特，因此根據DDS的原理，可推導出ML2035的輸出頻率關系式為：相應地，ML2035的頻率分辨率(最小頻率)為

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3S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中列舉了ML2035的常用晶振下的頻率控制字和頻率誤差情況。

ML2035還具有電源"休眠"功能，可以有效提高電源的使用效率，這對于便攜式產品是極其有利的。當希望ML2035保持"休眠"時，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11．5mW以下，而輸出正弦信號的幅度降到0V。需要提及的是，在電路設計中應該對ML2035的電源輸入端進行電源去耦處理。

芯片的引腳分布見圖1，該芯片只有八個引腳，高度的集成技術，實現了不需要外圍元件的特點，該芯片的引腳功能介紹如下：

腳①：VSS，接地；腳②：SCK，串行時鐘輸入引腳：腳③：SID，串行數據輸入引腳；腳④：LATI，通訊數據鎖存輸入引腳(下降沿)；腳⑤：Vcc，正電源供電引腳(+5V)腳⑥：VOUT，模擬輸出，輸出擺幅為vcc/2；腳⑦：GND，全部輸入輸出的參考點引腳；腳⑧：CLKIN，外部時鐘輸入引腳，該引腳可接入3～12MHz的數字時鐘信號。

圖3是采用ML2035設計的簡易式1000Hz的高精度的正弦信號發(fā)生器，輸出正弦頻率精度在理論上可達到0．00％。由前面的計算公式可以得知需要的頻率控制字為1280，因此需要的控制位為1111 D1010 0000 0000(16bit)。這里74HC4060(計數器)的功能是振蕩器和計時器，而74HC4002是高速CMOS四與非門器件。為了實現ML2035的輸出正弦信號頻率為1000Hz，必須在前8個脈沖移入8比特0，接下來的后8個脈沖移入1111 1010。

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