基于51單片機的正弦信號發生器的設計方案

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

　　一、51單片機簡介

　　51單片機是以英特爾公司的MCS-51單片機為核心的一族單片機，主要用于嵌入式系統和電子設備上。51單片機內部集成了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信號，可由諧振電路或數字信號處理的方法生成。在本文中，我們采用數字信號處理的方法來生成正弦信號。

　　數字信號的表示

　　在51單片機中，數字信號是由一系列離散的數值表示的。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的正弦波形。

　　數字信號的生成方法

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

　　三、基于51單片機的正弦信號發生器的設計

　　接下來，我們將詳細介紹如何設計一個基于51單片機的正弦信號發生器。

　　硬件設計

　　正弦信號發生器的硬件設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，用于將數字信號轉換為模擬信號。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，將放大后的信號進行低通濾波，去除高頻成分。

　　軟件設計

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

　　四、總結

　　基于51單片機的正弦信號發生器是一種簡單且常見的設計方法。通過合理的硬件設計和軟件設計，可以實現較為穩定和精確的正弦信號發生器。未來，我們可以對該設計進行進一步改進，提高信號的質量，實現更多的功能，如頻率可調、幅度可調等。

　　采用ML2035的簡易正弦信號發生器應用設計

　　摘要：在電子和通信產品中往往需要高精度的正弦信號，而傳統的正弦信號發生器往往在低頻輸出時的頻率的穩定度和精度等指標都不高。文中介紹了MicroLinear公司的一款單片正弦信號發生芯片ML2035，它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,并利用此芯片完成了簡易正弦信號發生器電路的設計。

　　正弦信號源是一種廣泛應用的信號源,對它的要求也隨著技術的發展越來越高。傳統的正弦信號發生器往往在低頻輸出時的頻率的穩定度和精度等指標都不高。我們知道為了獲得高頻率穩定度的信號源，往往采用鎖相環實現，但這種方法電路復雜、體積龐大。近年來，DDS技術由于具有容易產生頻率快速轉換、分辨率高、相位可控的信號,這在電子測量、雷達系統、調頻通信、電子對抗等領域得到了十分廣泛的應用。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生器，往往需要外部微處理器，因此電路較復雜，并且頻率穩定度不佳。為此，本文將討論基于ML2035設計簡易的正弦信號發生器，它具有外圍元器件少，電路實現簡單，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生芯片，它可以在幾乎不需要其它外圍器件的條件下，產生直流到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可以廣泛地應用于需要價格低、精度高的正弦信號發生器的無線通信或調制解調等領域。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

　　(當輸入時鐘頻率為

　　時);

　　●自

　　帶的內部晶振;

　　●具有同步和異步的數據加載功能。

　　正弦信號的產生

　　ML2035的基本原理和DDS一樣，它內部主要由正弦信號產生、晶振和串行數字接口等部分組成。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位相位寄存器構成,它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字幅度信息,每個地址對應于正弦波中

　　:

　　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DDS的原理我們不難得出ML2035的輸出頻率關系式為

　　(1)

　　相應地，ML2035的頻率分辨率(亦最小頻率)為

　　(2)

　　串行數字接口

　　ML2035的控制可以通過芯片的串行數字接口實現，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的下降沿應該發生在SCI為“低”電平期間。同理，在SID數據移入移位寄存器期間，LAI應該保持“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，在電路設計中可以采用如圖1所示的電源去耦處理方案。

　　圖1ML2035的電源去耦處理方法

　　簡易正弦信號發生器設計

　　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使用常見標準晶振時ML2035所需頻率控制字和頻率誤差情況

　　本文擬采用ML2035設計一簡易的頻率為1000Hz的高精度無頻率誤差的正弦信號發生器，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到0.00%。圖2便是實現該簡易正弦信號發生器的電路原理圖，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正弦信號發生器電路原理圖

　　結束語

　　由于傳統的正弦信號發生器往往在低頻輸出時的頻率的穩定度和精度等指標都不高，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生器，往往將導致電路復雜、體積龐大等問題。為此，本文討論了基于ML2035設計一輸出頻率為1000Hz的簡易正弦信號發生器，并擬應用在某雷達設備中。由于它具有外圍元器件少，電路實現簡單，可以不需要外部微處理器的特點。因此，ML2035可以廣泛地應用于產生價格低、精度高的正弦信號。

　　參考文獻

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　　[4]McroLinearCorporation.ML2035datasheet.1997.

　　基于ML2035低頻正弦信號發生器的設計

　　1 引 言

　　正弦信號發生器是一種廣泛應用的信號源，對它的要求也隨著技術的發展越來越高。傳統的正弦信號發生器產生電路一般采用模擬電路來實現，低頻輸出的頻率的穩定度和精度等指標都不高。為了要獲得高穩定度的信號源，往往要采用鎖相環來實現，但電路復雜且體積龐大。

　　隨著電路系統的數字化發展，直接數字頻率合成( Direct Digital Synthesizer， DDS) 作為一種波形產生方法，得到了廣泛的應用。DDS 技術具有產生頻率快速轉換、分辨率高、相位可控的信號。這在電子測量、雷達系統、調頻通信等領域具有十分重要的作用。若選用通常的DDS 芯片來實現低頻正弦信號發生器，往往需要外部微處理器，電路較為復雜。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。其內部主要由串行輸入接口、相位累加器、正弦波發生器和晶體振蕩器4 大部分組成。串行輸入接口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 位作為有效數據傳送給正弦波發生器;正弦波發生器把這9 位數據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 象限的波形樣值數據;最后，波形數據傳送到一個8 位的數模轉換器， 形成正弦脈沖波，經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， 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。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 正弦波發生器

　　正弦波發生器如圖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) 先送到象限求補器。

　　象限位為0 時，象限求補器保持地址碼不變;象限位為1 時，它對地址碼進行模128 求補。在1 個T OUT 內，生成4 個的TO UT / 4 位地址碼。這些地址碼被送到ROM用于搜索對應相位點的正弦波樣值， 以獲得2 個半波的正弦波樣值數據，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據。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 做D/ A 轉換，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 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 的低頻信號發生器的設計

　　輸出的正弦信號的頻率可以由16 b 的串行比特字控制，廣泛地應用在輸出正弦波要求高的領域。

　　ML2035 的頻率設置值是通過SID 腳串行輸入的。數據在SCK 的上升沿移入。當16 b 數據都進入移位寄存器后，在LAT 1 的下降沿鎖存。由于ML2035 的控制字是16 b，因此據DDS 的原理可以得出ML2035 的輸出頻率關系式為：

　　相應地，ML2035 的頻率分辨率為：

　　用ML2035 產生100 Hz 的正弦信號，系統所用晶振選取6. 553 6 MHz，通過輸出的頻率關系式( 1) 可以計算出16 b 的控制字為0000000010000000，則由74LS20 產生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 數據鎖存器中。正弦信號發生器如圖4 所示。

　　圖4 100 H z 正弦信號發生器

　　輸出的脈沖時序圖如圖5 所示。

　　圖5 脈沖時序圖

　　則產生100 Hz 正弦波信號的控制字應由f out = Q5.Q6.Q7.Q8 得出。

　　4 結語

　　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，產生精度和穩定度較高的正弦信號。因此可以應用ML2035 設計出頻率在0~ 25 kHz 的高穩定的、高精度的正弦波形。由ML2035 的工作原理，設計了100 Hz 的正弦信號發生器，實驗證明該信號發生器具有較高的穩定度和精度。