簡易低頻正弦信號發生器的設計

馮 偉

廣州工程技術職業學院機電工程系，廣東 廣州 510925

0 引言

在科學研究、工程教育及生產實踐中，常常需要用到低頻、高精度的正弦信號，而傳統的信號發生器絕大部分都是由模擬電路構成，頻率雖然可達百兆赫茲并在高頻范圍內其頻率穩定性與可調性好，但在低頻信號輸出時，其需要RC值很大，頻率的穩定度和精度等指標都不高。隨著電路系統的數字化發展，直接數字頻率合成 (DirectDigitalSynthesizer，DDS)作為一種波形產生方法，具有相位連續、頻率分辨率高、轉換速度快、信號穩定等諸多優點，從而使得DDS技術得到了廣泛的應用。

本文利用Cortex-M3內核的ARM芯片LM3S101與ML2035相配合，完成了簡易數控頻率可調低頻正弦信號發生器電路的設計。

1 DDS技術簡介

直接數字合成技術 (Direet Digital Synthesis，簡稱 DDS)是一種全數字化的頻率合成器。DDS基本原理框圖如圖1所示，主要由相位累加器、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D／A轉換器位數。DDS技術作為一種先進的直接數字頻率合成技術，用數字控制的方法從一個頻率基準源產生多種頻率，具有高可靠性、高集成度、高頻率分辨率及頻率變化快、控制靈活等特點，在通信與儀表領域得到了廣泛的應用。

圖1 DDS基本原理框圖

2 系統結構

本發生器主要由利用Cortex-M3內核的ARM微控制器LM3S101驅動使用DDS技術的單片低頻正弦信號發生器ML2035完成信號的產生，同時使用專業的ZLG7290按鍵和數碼管顯示芯片完成人機交互。本信號發生器的結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

2.1 ML2035簡介

ML2035是Micro Linear公司的一款基于DDS技術的可編程輸出頻率單片集成正弦波信號發生芯片，它甚至可以在幾乎不需要其它外圍器件的條件下，產生從直流到25kHz的正弦信號，是低頻率低成本正弦波應用的理想選擇。ML2035的主要特點有：

ML2035僅有8個引腳，具有3線SPI兼容性串行接口，它的外圍電路非常簡單。它輸出正弦信號頻率為DC-25KHz，振幅達到±VCC/2。它輸出的頻率由l6bits的串行數據字控制，當輸入時鐘頻率為12MHz時，頻率分辨率可達1.5Hz（±0.75Hz）。

2.2 LM3Sl01簡介

LM3S101微控制器是Luminary公司（現為TI公司）推出的一款結構簡單、性能出眾且帶有ARMC ortex-M3處理器內核的32位微控制器。Cortex-M3處理器是首個基于ARMv7M架構，主要針對成本極端敏感的高系統性能的嵌入式應用領域。LM3S101的的銷售價格在1美元以下，卻擁有了Cortex-M3內核，并且其內部集成了8KB的Flash和2KB的SRAM，含有兩個32位定時器，一個同步串行接口(SSI)，一個看門狗定時器，一個UART，兩個模擬比較器以及18個GPIO等。芯片采用6MHz的晶振，可通過片內軟件PLL來將工作時鐘頻率設置為20MHz。

2.3 正弦信號的產生

低頻正弦信號主要由LM3S101產生控制字通過內置的SSI接口模擬SPI口將控制字輸出至ML2035，最終由ML2035產生相應的低頻正弦信號。

圖3是ML2035的內部框圖。其內部主要由串行輸入、相位累加器、正弦波發生器、晶體振蕩器和低通濾波器五大部分組成。串行輸入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，并送給相位累加器，控制相位生成的速度，然后正弦波發生器通過查表生成正弦波樣值，波形數據被送到一個8位的D/A進行數模轉換形成正弦脈沖波，最后正弦脈沖波經過一個低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量后，形成頻譜純凈的正弦波信號輸出。

ML2035數據加載的時序如圖4所示。其時序為：在LATI為低電平期間，SID引腳上的16bits數據字在時鐘SCK的上升沿時被送人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。16位數據全部送入16位移位寄存器后，將LATI變為高電平，延遲一定時間后再將LATI變為低電平，在LATI的下降沿觸發下，16位移位寄存器中的數據被鎖存入16數據鎖存器中。為了確保數據鎖存正確，LATI的下降沿要在SCK的低電平期間發出，在SID數據移入移位寄存器期間，LATI應該保持低電平。

當希望ML2035進入“休眠”時，可以向移位寄存器輸入全0，并0使LATI保持高電平。在這種情況下，ML2035的輸出正弦信號的幅度降到0V。為保持信號的穩定，在電路設計中應該對ML2035的電源輸入端進行電源去耦處理，即在VCC和VSS電源端各接一個0.1uf到GND的去耦電容。

ML2035的輸出頻率以及頻率分辨率與控制字的關系式為：

圖3 ML2035的內部框圖

圖4 串行接口時序

2.4 按鍵和顯示系統

ZLG7290鍵盤/LED驅動器是周立功公司針對儀器儀表行業的是一款功能強勁的驅動芯片。它內置I2C串行接口并可驅動8位共陰數碼管或64個獨立LED和64個按鍵，提供鍵盤中斷信號，可控掃描位數并且可控任一數碼管閃爍，提供數據譯碼和循環、移位、段尋址等控制，8個功能鍵可檢測任一鍵的連擊次數，無需外接元件即可直接驅動LED，提供工業級芯片，抗干擾能力強。該芯片在工業測控中已有大量應用，本文中就不再贅述。

本發生器使用LM3S101的I/O口模擬I2C串行接口驅動ZLG7290驅動器，外接共陰LED數碼管顯示當前輸出的正弦波頻率，用戶還可以通過按鍵系統通知LM3S101改變頻率控制字，從而改變ML2035正弦信號發生器的輸出頻率。

3 結論

傳統的正弦信號發生器往往在低頻率輸出時其頻率的穩定度和精度等指標都不高，數字DDS技術的誕生，使波形發生器技術有了進一步的飛躍。鑒于此，本文討論了基于ML2035作為低頻正弦信號發生芯片，通過微控制器LM3S101作為主控元件，以ZLG7290按鍵顯示驅動器建立了LED數碼管顯示和按鍵的人機交互系統，完成了一款簡易的低頻正弦函數信號發生器。本信號發生器外圍元器件少、電路實現簡單，但可以產生穩定度好，精度高的低頻正弦信號。此類信號發生器的應用需求量大，而本設計方案實現成本較低，可以得到廣泛的應用。本設計中的信號發生器輸出信號幅度不可調節。如未來應用需調節輸出幅度和功率，可通過外擴運放和功放解決，在解決過程中，如需數字可調輸出幅度和功率，可適當選用數字電位器即可，由于該部分功能屬于擴展使用部分，本文就不再贅述。

[1]LM3S101 Microcontroller DATASHEET[M].http://www.Luminarymicro.com，2008.

[2]Stellaris?Peripheral Driver Library USER’S GUIDE[M].http://www.Luminarymicro.com, 2008.

[3]周立功等編著.EasyARM101實驗教程[M].廣州致遠電子有 限公司,2006.

[4]ML2035 Datasheet[M].Micro Linear LTD，1997.

[5]ZLG7290 I2C接口鍵盤及LED驅動器[M].廣州致遠電子有 限公司，2004.