简易低频正弦信号发生器的设计

摘要 在电子和通信产品中往往需要高精度的低频正弦信号,本文提出了一种使用ARM微处理器控制DDS芯片产生可调频率的低频正弦信号发生器的方案,使得产生信号的频率稳定度和精度等指标都达到了较高的要求。

关键词 ML2035;LM3S;Cortex-M3;ZLG7290

中图分类号TN74文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)21-0098-02

0 引言

在科学研究、工程教育及生产实践中,常常需要用到低频、高精度的正弦信号,而传统的信号发生器绝大部分都是由模拟电路构成,频率虽然可达百兆赫兹并在高频范围内其频率稳定性与可调性好,但在低频信号输出时,其需要RC值很大,频率的稳定度和精度等指标都不高。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,具有相位连续、频率分辨率高、转换速度快、信号稳定等诸多优点,从而使得DDS技术得到了广泛的应用。

本文利用Cortex-M3内核的ARM芯片LM3S101与ML2035相配合,完成了简易数控频率可调低频正弦信号发生器电路的设计。

1 DDS技术简介

直接数字合成技术(Direet Digital Synthesis,简称DDS)是一种全数字化的频率合成器。DDS基本原理框图如图1所示,主要由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。时钟频率给定后,输出信号的频率取决于频率控制字,频率分辨率取决于累加器位数,相位分辨率取决于ROM的地址线位数,幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。DDS技术作为一种先进的直接数字频率合成技术,用数字控制的方法从一个频率基准源产生多种频率,具有高可靠性、高集成度、高频率分辨率及频率变化快、控制灵活等特点,在通信与仪表领域得到了广泛的应用。

2 系统结构

本发生器主要由利用Cortex-M3内核的ARM微控制器LM3S101驱动使用DDS技术的单片低频正弦信号发生器ML2035完成信号的产生,同时使用专业的ZLG7290按键和数码管显示芯片完成人机交互。本信号发生器的结构框图如图2所示。

2.1 ML2035简介

ML2035是Micro Linear公司的一款基于DDS技术的可编程输出频率单片集成正弦波信号发生芯片,它甚至可以在几乎不需要其它外围器件的条件下,产生从直流到25kHz的正弦信号,是低频率低成本正弦波应用的理想选择。ML2035的主要特点有:

ML2035仅有8个引脚,具有3线SPI兼容性串行接口,它的外围电路非常简单。它输出正弦信号频率为DC-25KHz,振幅达到±VCC/2。它输出的频率由l6bits的串行数据字控制,当输入时钟频率为12MHz时,频率分辨率可达1.5Hz(±0.75Hz)。

2.2 LM3Sl01简介

LM3S101微控制器是Luminary公司(现为TI公司)推出的一款结构简单、性能出众且带有ARM Cortex-M3处理器内核的32位微控制器。Cortex-M3处理器是首个基于ARMv7M架构,主要针对成本极端敏感的高系统性能的嵌入式应用领域。LM3S101的的销售价格在1美元以下,却拥有了Cortex-M3内核,并且其内部集成了8KB的Flash和2KB的SRAM,含有两个32位定时器,一个同步串行接口(SSI),一个看门狗定时器,一个UART,两个模拟比较器以及18个GPIO等。芯片采用6MHz的晶振,可通过片内软件PLL来将工作时钟频率设置为20MHz。

2.3 正弦信号的产生

低频正弦信号主要由LM3S101产生控制字通过内置的SSI接口模拟SPI口将控制字输出至ML2035,最终由ML2035产生相应的低频正弦信号。

图3是ML2035的内部框图。其内部主要由串行输入、相位累加器、正弦波发生器、晶体振荡器和低通滤波器五大部分组成。串行输入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,并送给相位累加器,控制相位生成的速度,然后正弦波发生器通过查表生成正弦波样值,波形数据被送到一个8位的D/A进行数模转换形成正弦脉冲波,最后正弦脉冲波经过一个低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量后,形成频谱纯净的正弦波信号输出。

ML2035数据加载的时序如图4所示。其时序为:在LATI为低电平期间,SID引脚上的16bits数据字在时钟SCK的上升沿时被送人16bits的移位寄存器。需要注意的是,应该先送最低位,最后送最高位。16位数据全部送入16位移位寄存器后,将LATI变为高电平,延迟一定时间后再将LATI变为低电平,在LATI的下降沿触发下,16位移位寄存器中的数据被锁存入16数据锁存器中。为了确保数据锁存正确,LATI的下降沿要在SCK的低电平期间发出,在SID数据移入移位寄存器期间,LATI应该保持低电平。

当希望ML2035进入“休眠”时,可以向移位寄存器输入全0,并0使LATI保持高电平。在这种情况下,ML2035的输出正弦信号的幅度降到0V。为保持信号的稳定,在电路设计中应该对ML2035的电源输入端进行电源去耦处理,即在VCC和VSS电源端各接一个0.1uf到GND的去耦电容。

ML2035的输出频率以及频率分辨率与控制字的关系式为:

2.4 按键和显示系统

ZLG7290键盘/LED驱动器是周立功公司针对仪器仪表行业的是一款功能强劲的驱动芯片。它内置I2C串行接口并可驱动8位共阴数码管或64个独立LED和64个按键,提供键盘中断信号,可控扫描位数并且可控任一数码管闪烁,提供数据译码和循环、移位、段寻址等控制,8个功能键可检测任一键的连击次数,无需外接元件即可直接驱动LED,提供工业级芯片,抗干扰能力强。该芯片在工业测控中已有大量应用,本文中就不再赘述。

本发生器使用LM3S101的I/O口模拟I2C串行接口驱动ZLG7290驱动器,外接共阴LED数码管显示当前输出的正弦波频率,用户还可以通过按键系统通知LM3S101改变频率控制字,从而改变ML2035正弦信号发生器的输出频率。

3 结论

传统的正弦信号发生器往往在低频率输出时其频率的稳定度和精度等指标都不高,数字DDS技术的诞生,使波形发生器技术有了进一步的飞跃。鉴于此,本文讨论了基于ML2035作为低频正弦信号发生芯片,通过微控制器LM3S101作为主控元件,以ZLG7290按键显示驱动器建立了LED数码管显示和按键的人机交互系统,完成了一款简易的低频正弦函数信号发生器。本信号发生器外围元器件少、电路实现简单,但可以产生稳定度好,精度高的低频正弦信号。此类信号发生器的应用需求量大,而本设计方案实现成本较低,可以得到广泛的应用。本设计中的信号发生器输出信号幅度不可调节。如未来应用需调节输出幅度和功率,可通过外扩运放和功放解决,在解决过程中,如需数字可调输出幅度和功率,可适当选用数字电位器即可,由于该部分功能属于扩展使用部分,本文就不再赘述。

参考文献

[1]LM3S101 Microcontroller DATASHEET[M]. ,2008.

[2]Stellaris®Peripheral Driver Library USER’S GUIDE[M]. , 2008.

[3]周立功等编著.EasyARM101实验教程[M].广州致远电子有限公司,2006.

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

[5]ZLG7290 I2C接口键盘及LED驱动器[M].广州致远电子有限公司,2004.

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