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基于DDS的正弦信号发生电路设计

2023-03-03 来源:飒榕旅游知识分享网
总第217期 2012年第7期 舰船电子工程 Ship Electronic Engineering Vo1.32 No.7 13O 基于DDS的正弦信号发生电路设计 王满林 (海军驻重庆舰炮军事代表室摘要重庆401120) 针对某检测设备的信号源需要,以Micro Linear公司的单片正弦信号发生芯片ML2035为核心,利用计数器与逻辑门电路完 成了一种简易正弦信号发生电路的设计。采用四变量卡洛图方法完成了电路的逻辑设计,使用74HCA002、74HC4060和外围元件完成控制 字电路的具体实现。结论表明使用MI 2035和简单逻辑电路构成的特定频率正弦信号发生电路具有简单可靠的特点,设计方法对于特定场 合的应用具有借鉴意义。 关键词正弦信号发生器;直接数字频率合成;ML2035 TN79 中图分类号Design of a Sine Signal Generation Circuit Based on DDS WANG Manlin (Shi ̄Borne Gun Military Representative Office of Navy,Chongqing 401120) Abstract Aimed at the demand of signal source for some equipment.the ML2035 made by Micro I inear Corporation was used to design a simple sine signal generator with some counter and logical gate circuit.Karnaugh diagram is applied in the logical function transformation of the control circuit,physical circuit was make of counter 74HCA060 and nor gate 74HC4002.The conclusion can be made that the sine signal generation circuit made by MI 2035 and simple logical gate circuit shows simple and reliable,and the design methods can be useful to the spe— cial application field of sine signal source. Key Words sine signal generator,DDS,ML2035 Class Number TN79 1 引言 现代电子设备中,波形产生电路一直是一种很重要的 电路。传统的正弦波产生电路一般采用模拟电路来实现, —--制字、 为参考时钟频率。 相位累加器在系统时钟 的控制下以步长K作累 IL Kl 相位累加器 — 相位累加器 基准时针 P  相位累加器f广叫D/A变换器 加,输出的N位二进制码 既不精确也不稳定,且体积庞大。随着数字信号处理技术 的飞速发展,高精度大动态范围D/A转换器的出现和广泛 应用,基于取样技术和计算技术,通过数字方法生成频率和 W ’ l T 输出 与相位控制字P、波形控制 字w相加后,作为波形 ROM的地址对波形R0M 相位相对固定且可调的合成技术,即直接数字频率合成 (Direct Digital Synthesizer,DDS)技术日益成熟,它采用全 进行寻址,波形ROM输出 幅度码S( ),经D/A转换 器变成阶梯波S(£),再经低通滤波器平滑后就可以得到合 数字化结构,具有频率分辨率高、相对带宽宽、频率转换速 度快、相位噪声低、信号纯度高等优点E 。 针对某型检测设备的固定频率正弦信号需求,以美国 Micro Linear公司的低频正弦波DDS芯片MI 2035为核 成的信号波形。 由于合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的 幅度码,因此DDS可以产生任意波。 心,使用逻辑门电路对频率控制字电路进行简化,设计一种 对于DDS输出的频率可由下面的公式计算得出: 一 结构简单、稳定可靠的正弦信号发生电路。 f (1) 2 DDS原理 直接数字频率合成器是从相位概念出发直接合成所需 波形的一种频率合成技术。一个直接数字频率合成器由相 位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤 波器(LPF)等构成E7 ̄lO]。其结构示意图如图1所示。 其中,K为频率控制字、P为相位控制字、w为波形控 式中: 表示输出频率;K为二进制频率控制字; 表示内 部参考时钟;N为相位累加器的长度。 3 ML2035及其工作原理 ML2035是Micro Linear公司的一款单片正弦信号发 生芯片,它可以在仅需少量外围器件的条件下,产生0~ 收稿Et期:2012年1月21日,修回日期:2012年2月27日 作者简介:王满林,男,硕士研究生,高级工程师,研究方向:武器系统与运用工程。 2012年第7期 舰船电子工程 ……………………………~ … ……131 一 25kHz的正弦信号,可以广泛地应用于价格低、精度高的正 弦信号发生器[1 。其输出正弦信号的频率由16位串行输 入控制。ML2035的主要特点如下: ・CLKIN 输出正弦频率为0 ̄25kHz; 低增益误差和低谐波畸变性能; 具有3线SPI兼容性串行微处理器接口,并具有数 具有不需要外围器件的全集成解决方案功能; ・匿 8.BIT DAC SMOOTHIF1LTER INGH+  V. 6 ・PHASE 据锁存功能; ・・曰 L Arn ACCUMULATOR &51 2POINT SINE LOOK.UP TABLE ZERO 日 ETEC 当输入时钟频率为12MHz时,频率分辨率可达 4 一 GND卣 Vss 1.5Hz(±0.75Hz); ・1 6.BIT DATA LATCI1 】6 自带3 ̄12MHz的内部晶振时钟发生器; 同步和异步的数据加载功能。 I I ・SCK 2 T ML2035内部结构如图2所示。按照功能可以将内部 元件大致划分为串行输入接口、相位累加器、正弦波发生器 和晶体振荡器等几部分组成。具体流程见图3。 SID 3 』 1 6-BIT SHIFT REG ISTER L…………一一 图2 MI 2035结构框图 SIDO LAT10 ABINARY ¨,A: pHASE ACCUMULAT0R —_1.而丽 网l LEAST 21一BIT 慧一 INPUTTO  QUADRANT COMPLEMBNTOR 1 TPEF _.1 Q .LATCH Q SIGNIFICANT山 (12BITS) PHASE SAMPLES INPUTT0 POM PICTORLAL (7BITS) CLKIN CRYSTAL OSCILLATO INPUT TO SIGN PRSENTATIoN QUADRANT BIT CITALDATA COMPLEMENTOR OFD1,COMPLEMENTER SIGN n1 ,nTn、 i !: ! ! i READ-oNLY INPUTTO OUTPUTLATCH MEMORY(12BX7) l !:呈 !!! £ SIGN oMPLEMENTOR IGN 3IT INPUTTOD/A CONVERTER 、I INPUTTO LOW—PlASS FILTER fR i [ : 』! .OUTPUTLATCH I i BIT SIGN (ANALOGSIGNAL) 8一BIT DIGITAL ToANALOG CONVERTER ~ OUTPUT OF LOW.PAS S FII ER rANALOGS1GNAL1 OW.PASS FILTE /、 SINEWAVE OUTPUT 图3 ML2035工作流程 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;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 ML2035的控制字长为16比特,因此根据DDS的原理 得出ML2035的输出频率关系式为 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。 J f 一血 n 23 (2) … 相应地,ML2035的频率分辨翠(亦最小频率)为 △_厂n CJo.2KJ3 N (3) 132 王满林:基于DDS的正弦信号发生电路设计 总第Z17期 ML2035具有电源“休眠”功能,这样可以有效提高电 源的使用效率。希望ML2035保持“休眠”时,可以向移位 寄存器输入全“0”,并向LATI加载“1”使其保持高电平。 在这种情况下,ML2035的功耗可以降到儿.5roW以下,而 输出正弦信号的幅度降到0V。 4 电路设计 在某型装备检测设备的具体应用中,需要500Hz正弦 信号作为检测信号基准,由于使用环境等要求相对严格,所 以对于检测设备的电路要求是结构简单,性能稳定。 使用ML2035芯 片进行信号源设计有 多种方法可以实现,通 常可以采用单片机、 图4 DDS应用框图 DSP、ARM等处理器 芯片作为控制端,利用程序产生对应的控制字,通过软件的 修改实现不同波形 I-。 “”]。具体应用下的结构框图如图4 所示。 控制芯片的使用可以提供更多功能,但也带来电路结 构复杂,可靠性下降等问题。出于结构简单,工作可靠的考 虑,拟采用简单逻辑电路来实现串行控制字的发生,因此串 行控制字实现的核心在于电路逻辑结构的设计。通常的做 法是利用计数器与逻辑门电路相组合的方法,通过串接和 组合实现既定的逻辑关系。逻辑关系的设计通常采用卡洛 图方法。 已知需要的串行控制字为16位,因此可用四变量卡洛 图方法进行设计。首先给出四变量卡洛图,如图5所示。 00 0l 11 10 00 O 4 12 8 O1 1 5 13 9 11 3 7 15 11  I10  J2 6 14 10 图5四变量卡洛图 下面计算本例中的16位控制字,电路采用常见的 3.2768MHz晶体作为时钟源,根据前面输出频率的公式, 可以箅出需要送入MI 2035的频率字如下: f *923 D(15:0)一 32生7 6800 (4) 当前需要输出的正弦波频率为500Hz,计算得到D 1280,二进制表示为0000 0101 0000 0000。因为二进制数 据最后面的8位为全0,所以可以充分利用逻辑门元件来简 化整个电路。将控制字填入图5中,结果如图6所示。 00 O1 11 10 00 O O O 1 O1 O O O O 11 O O O 0 10 O O O 1 图6填入真值后的四变量卡洛图 经过化简,可得到最终的输出Q与四变量的逻辑函数 Q—ABD—A+B+D (5) 注意这里A变量需要一个反向,为了进一步简化电 路,对四变量的真值表进行修改,修改后见图7。 00 O1 11 1O 00 1 O O O O1 O O O O 11 O O O O  I10 1 O O O 图7修改后的卡洛图 化简得修改后的输出逻辑,可以表示为 Q,=ABD=—A+B—+D (6) 经过修改后的逻辑关系式更加简洁,仅需要配合一个 或非门(74HC4002)便可完成16位串行控制字的输入功 能。时序逻辑见图8。 SCK Q4 05 Q6厂]r]广]厂] Q7 LATIQ8  『 0≮{”引#C”l 0’00{{∽ 01 e 0 {0●0 0 e 0 0 £》¨ 1:C一{¥f.1¨j’ SID r r—r ]~丁T { 1_11 一下 { 500Hzl¥l 9 e 0} i0 l {0}0 10 lQ IQ { lQ QQ Qj 3 QG— t一 一n l m k^ ^| H 6 l0}l…1 | 4 0{ i k i 图8四变量时序图 吼 一一 5 电路实现 一 ∞ 使用计数器74HC4060来实现四变量的输入。如图9 警 I。 所示的计数器电路,以3.2768MHz频率计数。 16 VCC 1 5 l4 l3 12 l1 10 ——_r一 3 2768MHZ J 0M 图9计数器74HC4O6O电路 针对所需16位控制字的输入时序,其中A是最高位, D是最低位。取Q4作为ML2035的输入时钟,Q4输出端 将输入频率16倍分频,为204800Hz,周期4.88 s,满足 ML2035的工作需要。取Q8、Q7、Q6、Q5为ABCD四变 量。需要注意16位控制字的锁存是通过LATI输入的下 降沿实现的,利用Q8的上升沿经过微分电路产生一尖脉 冲,接至ML2035的LATI,在其下降沿把SID端输人的串 行数据锁存到ML2035的内部数据锁存器。完成全部信号 发生电路的设计,具体电路图如图1O所示。 2012年第7期 舰船电子工程 133 U1 2 +5V 4 6 GND 7 CC 2Y 2A 2B 2C 2D 3 O 14 66 GND 8 Q 5 Reset e7 CLKIn Q4 CLKOut1 GNDCLK Out2 Q9 川 NC 3 2 C1.1 C1—2 33pF 一 GND 100p -5V 1 VSS CLKIn ND SCK GND SID V0ut LAT1 VCC ML2O35 正弦信号 + 5 1k 图1O信号发生电路 6 结语 传统的正弦信号发生器在频率的稳定度和精度等方面 与控制,2010,18(3):47—52. [5]吴加政,苏新彦.基于DDS的信号模拟器设计EJ].国外电子测 量技术,2009,28(11):67 70. 指标都不高,而且电路复杂、体积庞大。以ML2035为核心 配合简单逻辑电路组成的正弦信号发生电路,具有外围元 [6]钱永青.基于DDS技术正弦信号发生器的设计[J].现代电子 技术,2008(21):104 108. 器件少,电路实现简单,不依赖微处理器等特点。在军事装 备、工业控制等特殊使用场合具有一定的应用前景。 参考文献 [7]陈鹏.基于DDS的波形发生器设计[J].现代电子技术,2009 (9):103—105. [8]任建新,余乐咏,张鹏.基于FPGA的高精度信号发生器的实现 与优化_J].测控技术,2011,30(1):13—16. [9]李小东,任建新,张鹏,等.高精度正弦信号相位差发生器的设 计ⅢJ].测控技术,2008,28(12):14【5. [1]TIERNEY J.A Digital Frequency Synthesizer[J ̄.IEEE Trans— actions on Audio and Electro acoustics,1971(19):48 57. [1O]姚益武,袁秋晨,王筱萌,等.基于"?PGA的正弦信号发生器没 计E3].微型机与应用,2010(12):87—89. [u]Micro Linear Corporation.MI 203 5 data sheet[z].1997. [12]霄立云.基于FPGA的DDS研究与设计『J].计算机与数字工 程,2008(8). [23杨萍,兀旦晖,杨良煜.DDS技术在正弦信号发生器中的应用 口].计算机测量与控制,2008,16(11):1738—1740. [3]刘洋,韩鹏,乔占仙,等.基于ARM的DDS信号发生器设计 一№ ] [J].国外电子测量技术,201i,30(7):66—68. 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