基于51單片機(jī)的正弦信號發(fā)生器的設(shè)計方案

　　正弦信號是電子電路設(shè)計中非常重要的信號之一。在很多電子設(shè)備和系統(tǒng)中，需要正弦信號作為輸入源。基于51單片機(jī)的正弦信號發(fā)生器設(shè)計是一種較為簡單且常見的方法。本文將詳細(xì)介紹如何設(shè)計一個基于51單片機(jī)的正弦信號發(fā)生器。

　　一、51單片機(jī)簡介

　　51單片機(jī)是以英特爾公司的MCS-51單片機(jī)為核心的一族單片機(jī)，主要用于嵌入式系統(tǒng)和電子設(shè)備上。51單片機(jī)內(nèi)部集成了CPU、RAM、ROM、計時器、串行通信接口等功能模塊，具有較強(qiáng)的實時控制能力和通用性。

　　二、正弦信號的生成原理

　　正弦信號是一種周期性連續(xù)信號，可由諧振電路或數(shù)字信號處理的方法生成。在本文中，我們采用數(shù)字信號處理的方法來生成正弦信號。

　　數(shù)字信號的表示

　　在51單片機(jī)中，數(shù)字信號是由一系列離散的數(shù)值表示的。在正弦信號的表示中，我們采用采樣離散化的方式表示連續(xù)的正弦波形。

　　數(shù)字信號的生成方法

　　正弦信號的生成可以采用多種方法，如查表法、泰勒級數(shù)法、數(shù)字濾波法等。在本文中，我們采用查表法來生成正弦信號。

　　三、基于51單片機(jī)的正弦信號發(fā)生器的設(shè)計

　　接下來，我們將詳細(xì)介紹如何設(shè)計一個基于51單片機(jī)的正弦信號發(fā)生器。

　　硬件設(shè)計

　　正弦信號發(fā)生器的硬件設(shè)計包括電路模塊的選型和連接。首先，我們需要選擇一個適合的DAC芯片，用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。其次，還需要選擇一個合適的放大電路，用于放大DAC輸出的信號。最后，還需要連接一個濾波電路，將放大后的信號進(jìn)行低通濾波，去除高頻成分。

　　軟件設(shè)計

　　正弦信號發(fā)生器的軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)計算和輸出控制。首先，我們需要在程序中預(yù)先計算一系列正弦信號的離散數(shù)值，并存儲在一個查找表中。然后，通過控制DAC芯片的輸入端口，將查找表中的數(shù)值依次輸出到DAC芯片。最后，將DAC的輸出信號經(jīng)過放大和濾波后輸出。

　　四、總結(jié)

　　基于51單片機(jī)的正弦信號發(fā)生器是一種簡單且常見的設(shè)計方法。通過合理的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，可以實現(xiàn)較為穩(wěn)定和精確的正弦信號發(fā)生器。未來，我們可以對該設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，提高信號的質(zhì)量，實現(xiàn)更多的功能，如頻率可調(diào)、幅度可調(diào)等。

　　采用ML2035的簡易正弦信號發(fā)生器應(yīng)用設(shè)計

　　摘要：在電子和通信產(chǎn)品中往往需要高精度的正弦信號，而傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器往往在低頻輸出時的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高。文中介紹了MicroLinear公司的一款單片正弦信號發(fā)生芯片ML2035，它可以在幾乎不需要其它外圍器件的條件下，產(chǎn)生從直流到25kHz的正弦信號,并利用此芯片完成了簡易正弦信號發(fā)生器電路的設(shè)計。

　　正弦信號源是一種廣泛應(yīng)用的信號源,對它的要求也隨著技術(shù)的發(fā)展越來越高。傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器往往在低頻輸出時的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高。我們知道為了獲得高頻率穩(wěn)定度的信號源，往往采用鎖相環(huán)實現(xiàn)，但這種方法電路復(fù)雜、體積龐大。近年來，DDS技術(shù)由于具有容易產(chǎn)生頻率快速轉(zhuǎn)換、分辨率高、相位可控的信號,這在電子測量、雷達(dá)系統(tǒng)、調(diào)頻通信、電子對抗等領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。然而，如果選用通常的Analog公司的系列DDS芯片研制低頻正弦信號發(fā)生器，往往需要外部微處理器，因此電路較復(fù)雜，并且頻率穩(wěn)定度不佳。為此，本文將討論基于ML2035設(shè)計簡易的正弦信號發(fā)生器，它具有外圍元器件少，電路實現(xiàn)簡單，可以不需要外部微處理器的特點。

　　ML2035是MicroLinear公司的一款單片正弦信號發(fā)生芯片，它可以在幾乎不需要其它外圍器件的條件下，產(chǎn)生直流到25kHz的正弦信號，并且它的輸出正弦信號頻率可以由16比特的串行比特字控制。因此，ML2035可以廣泛地應(yīng)用于需要價格低、精度高的正弦信號發(fā)生器的無線通信或調(diào)制解調(diào)等領(lǐng)域。ML2035的主要特點如下：

　　●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(shù)據(jù)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(dá)1.5Hz

　　(當(dāng)輸入時鐘頻率為

　　時);

　　●自

　　帶的內(nèi)部晶振;

　　●具有同步和異步的數(shù)據(jù)加載功能。

　　正弦信號的產(chǎn)生

　　ML2035的基本原理和DDS一樣，它內(nèi)部主要由正弦信號產(chǎn)生、晶振和串行數(shù)字接口等部分組成。但是，ML2035的外圍電路及其簡單，它僅有8個引腳。ML2035的可編程頻率發(fā)生器的基本原理和直接頻率合成器(DDS)的基本原理完全一樣。我們知道，DDS芯片一般由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。DDS芯片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(gòu)成,它類似一個簡單的計數(shù)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(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加,把相加結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器進(jìn)入線性相位累加,累加至滿量程時產(chǎn)生一次計數(shù)溢出,這個溢出頻率即為DDS的輸出頻率。正弦查詢表是一個可編程只讀存儲器(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,包 含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息,每個地址對應(yīng)于正弦波中

　　:

　　范圍的一個相位點。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數(shù)據(jù)作為一個地址對正弦查詢表進(jìn)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(qū)動DAC,輸出模擬信號;低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量,以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。

　　由于ML2035的控制字長為16比特，因此據(jù)DDS的原理我們不難得出ML2035的輸出頻率關(guān)系式為

　　(1)

　　相應(yīng)地，ML2035的頻率分辨率(亦最小頻率)為

　　(2)

　　串行數(shù)字接口

　　ML2035的控制可以通過芯片的串行數(shù)字接口實現(xiàn)，數(shù)字接口部分主要由移位寄存器和數(shù)據(jù)鎖存器組成。SID引腳上的16bits數(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)據(jù)被鎖存進(jìn)數(shù)據(jù)鎖存器。為了確保數(shù)據(jù)的有效鎖存，LAI的下降沿應(yīng)該發(fā)生在SCI為“低”電平期間。同理，在SID數(shù)據(jù)移入移位寄存器期間，LAI應(yīng)該保持“低”電平。

　　電源方式

　　ML2035具有電源“休眠”功能，這樣可以有效提高電源的使用效率，這對于便攜式產(chǎn)品是極其有利的。當(dāng)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(shè)計中應(yīng)該對ML2035的電源輸入端進(jìn)行電源去耦處理，在電路設(shè)計中可以采用如圖1所示的電源去耦處理方案。

　　圖1ML2035的電源去耦處理方法

　　簡易正弦信號發(fā)生器設(shè)計

　　由DDS的基本原理可以知道，由于ML2035頻率分辨能力有限，輸出的正弦信號將有可能出現(xiàn)誤差。對于不同的參考時鐘，將產(chǎn)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。

　　表1使用常見標(biāo)準(zhǔn)晶振時ML2035所需頻率控制字和頻率誤差情況

　　本文擬采用ML2035設(shè)計一簡易的頻率為1000Hz的高精度無頻率誤差的正弦信號發(fā)生器，由于低于3.5MHz的晶振通常價格較高且體積較大，故這里選用6.5536的晶振。由式(1)可以得知需要的頻率控制字為1280，因此需要的16bits控制位為1111D101000000000，這樣輸出正弦信號的頻率誤差將在理論上達(dá)到0.00%。圖2便是實現(xiàn)該簡易正弦信號發(fā)生器的電路原理圖，這里74HC4060計數(shù)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(xiàn)ML2035的輸出正弦信號頻率為1000Hz，必須使在前8個脈沖移入8比特0，然后在接下來的后8個脈沖移入11111010。

　　圖2基于ML2035的1000Hz正弦信號發(fā)生器電路原理圖

　　結(jié)束語

　　由于傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器往往在低頻輸出時的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高，如果選用通諸如Analog公司的DDS系列芯片研制低頻正弦信號發(fā)生器，往往將導(dǎo)致電路復(fù)雜、體積龐大等問題。為此，本文討論了基于ML2035設(shè)計一輸出頻率為1000Hz的簡易正弦信號發(fā)生器，并擬應(yīng)用在某雷達(dá)設(shè)備中。由于它具有外圍元器件少，電路實現(xiàn)簡單，可以不需要外部微處理器的特點。因此，ML2035可以廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)生價格低、精度高的正弦信號。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[4]McroLinearCorporation.ML2035datasheet.1997.

　　基于ML2035低頻正弦信號發(fā)生器的設(shè)計

　　1 引 言

　　正弦信號發(fā)生器是一種廣泛應(yīng)用的信號源，對它的要求也隨著技術(shù)的發(fā)展越來越高。傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生電路一般采用模擬電路來實現(xiàn)，低頻輸出的頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高。為了要獲得高穩(wěn)定度的信號源，往往要采用鎖相環(huán)來實現(xiàn)，但電路復(fù)雜且體積龐大。

　　隨著電路系統(tǒng)的數(shù)字化發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成( Direct Digital Synthesizer， DDS) 作為一種波形產(chǎn)生方法，得到了廣泛的應(yīng)用。DDS 技術(shù)具有產(chǎn)生頻率快速轉(zhuǎn)換、分辨率高、相位可控的信號。這在電子測量、雷達(dá)系統(tǒng)、調(diào)頻通信等領(lǐng)域具有十分重要的作用。若選用通常的DDS 芯片來實現(xiàn)低頻正弦信號發(fā)生器，往往需要外部微處理器，電路較為復(fù)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(nèi)部主要由串行輸入接口、相位累加器、正弦波發(fā)生器和晶體振蕩器4 大部分組成。串行輸入接口電路負(fù)責(zé)將用戶輸入的16 位串行頻率控制字轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)， 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(shù)據(jù)傳送給正弦波發(fā)生器;正弦波發(fā)生器把這9 位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù);最后，波形數(shù)據(jù)傳送到一個8 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器， 形成正弦脈沖波，經(jīng)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(gòu)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(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器進(jìn)入線性相位累加， 至滿量程時產(chǎn)生一次計數(shù)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(fā)生器

　　正弦波發(fā)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(bǔ)器。

　　象限位為0 時，象限求補(bǔ)器保持地址碼不變;象限位為1 時，它對地址碼進(jìn)行模128 求補(bǔ)。在1 個T OUT 內(nèi)，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(yīng)相位點的正弦波樣值， 以獲得2 個半波的正弦波樣值數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數(shù)據(jù)作為一個地址對正弦查詢表進(jìn)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(qū)動DAC 做D/ A 轉(zhuǎn)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(xiàn)誤差。對于不同的參考時鐘，將產(chǎn)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(fā)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(fā)生器的設(shè)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(yīng)用在輸出正弦波要求高的領(lǐng)域。

　　ML2035 的頻率設(shè)置值是通過SID 腳串行輸入的。數(shù)據(jù)在SCK 的上升沿移入。當(dāng)16 b 數(shù)據(jù)都進(jìn)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(jù)DDS 的原理可以得出ML2035 的輸出頻率關(guān)系式為：

　　相應(yīng)地，ML2035 的頻率分辨率為：

　　用ML2035 產(chǎn)生100 Hz 的正弦信號，系統(tǒng)所用晶振選取6. 553 6 MHz，通過輸出的頻率關(guān)系式( 1) 可以計算出16 b 的控制字為0000000010000000，則由74LS20 產(chǎn)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(shù)據(jù)鎖存器中。正弦信號發(fā)生器如圖4 所示。

　　圖4 100 H z 正弦信號發(fā)生器

　　輸出的脈沖時序圖如圖5 所示。

　　圖5 脈沖時序圖

　　則產(chǎn)生100 Hz 正弦波信號的控制字應(yīng)由f out = Q5.Q6.Q7.Q8 得出。

　　4 結(jié)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(chǎn)生精度和穩(wěn)定度較高的正弦信號。因此可以應(yīng)用ML2035 設(shè)計出頻率在0~ 25 kHz 的高穩(wěn)定的、高精度的正弦波形。由ML2035 的工作原理，設(shè)計了100 Hz 的正弦信號發(fā)生器，實驗證明該信號發(fā)生器具有較高的穩(wěn)定度和精度。