馮 偉

廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 廣州 510925

0 引言

在科學(xué)研究、工程教育及生產(chǎn)實(shí)踐中，常常需要用到低頻、高精度的正弦信號(hào)，而傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器絕大部分都是由模擬電路構(gòu)成，頻率雖然可達(dá)百兆赫茲并在高頻范圍內(nèi)其頻率穩(wěn)定性與可調(diào)性好，但在低頻信號(hào)輸出時(shí)，其需要RC值很大，頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高。隨著電路系統(tǒng)的數(shù)字化發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成 (DirectDigitalSynthesizer，DDS)作為一種波形產(chǎn)生方法，具有相位連續(xù)、頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號(hào)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而使得DDS技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

本文利用Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片LM3S101與ML2035相配合，完成了簡易數(shù)控頻率可調(diào)低頻正弦信號(hào)發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)。

1 DDS技術(shù)簡介

直接數(shù)字合成技術(shù) (Direet Digital Synthesis，簡稱 DDS)是一種全數(shù)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(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。時(shí)鐘頻率給定后，輸出信號(hào)的頻率取決于頻率控制字，頻率分辨率取決于累加器位數(shù)，相位分辨率取決于ROM的地址線位數(shù)，幅度量化噪聲取決于ROM的數(shù)據(jù)位字長和D／A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。DDS技術(shù)作為一種先進(jìn)的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，用數(shù)字控制的方法從一個(gè)頻率基準(zhǔn)源產(chǎn)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(diǎn)，在通信與儀表領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1 DDS基本原理框圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本發(fā)生器主要由利用Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器LM3S101驅(qū)動(dòng)使用DDS技術(shù)的單片低頻正弦信號(hào)發(fā)生器ML2035完成信號(hào)的產(chǎn)生，同時(shí)使用專業(yè)的ZLG7290按鍵和數(shù)碼管顯示芯片完成人機(jī)交互。本信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 ML2035簡介

ML2035是Micro Linear公司的一款基于DDS技術(shù)的可編程輸出頻率單片集成正弦波信號(hào)發(fā)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(chǎn)生從直流到25kHz的正弦信號(hào)，是低頻率低成本正弦波應(yīng)用的理想選擇。ML2035的主要特點(diǎn)有：

ML2035僅有8個(gè)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(hào)頻率為DC-25KHz，振幅達(dá)到±VCC/2。它輸出的頻率由l6bits的串行數(shù)據(jù)字控制，當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率為12MHz時(shí)，頻率分辨率可達(dá)1.5Hz（±0.75Hz）。

2.2 LM3Sl01簡介

LM3S101微控制器是Luminary公司（現(xiàn)為TI公司）推出的一款結(jié)構(gòu)簡單、性能出眾且?guī)в蠥RMC ortex-M3處理器內(nèi)核的32位微控制器。Cortex-M3處理器是首個(gè)基于ARMv7M架構(gòu)，主要針對(duì)成本極端敏感的高系統(tǒng)性能的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。LM3S101的的銷售價(jià)格在1美元以下，卻擁有了Cortex-M3內(nèi)核，并且其內(nèi)部集成了8KB的Flash和2KB的SRAM，含有兩個(gè)32位定時(shí)器，一個(gè)同步串行接口(SSI)，一個(gè)看門狗定時(shí)器，一個(gè)UART，兩個(gè)模擬比較器以及18個(gè)GPIO等。芯片采用6MHz的晶振，可通過片內(nèi)軟件PLL來將工作時(shí)鐘頻率設(shè)置為20MHz。

2.3 正弦信號(hào)的產(chǎn)生

低頻正弦信號(hào)主要由LM3S101產(chǎn)生控制字通過內(nèi)置的SSI接口模擬SPI口將控制字輸出至ML2035，最終由ML2035產(chǎn)生相應(yīng)的低頻正弦信號(hào)。

圖3是ML2035的內(nèi)部框圖。其內(nèi)部主要由串行輸入、相位累加器、正弦波發(fā)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(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)，并送給相位累加器，控制相位生成的速度，然后正弦波發(fā)生器通過查表生成正弦波樣值，波形數(shù)據(jù)被送到一個(gè)8位的D/A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換形成正弦脈沖波，最后正弦脈沖波經(jīng)過一個(gè)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(hào)輸出。

ML2035數(shù)據(jù)加載的時(shí)序如圖4所示。其時(shí)序?yàn)椋涸贚ATI為低電平期間，SID引腳上的16bits數(shù)據(jù)字在時(shí)鐘SCK的上升沿時(shí)被送人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。16位數(shù)據(jù)全部送入16位移位寄存器后，將LATI變?yōu)楦唠娖?，延遲一定時(shí)間后再將LATI變?yōu)榈碗娖?，在LATI的下降沿觸發(fā)下，16位移位寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖存入16數(shù)據(jù)鎖存器中。為了確保數(shù)據(jù)鎖存正確，LATI的下降沿要在SCK的低電平期間發(fā)出，在SID數(shù)據(jù)移入移位寄存器期間，LATI應(yīng)該保持低電平。

當(dāng)希望ML2035進(jìn)入“休眠”時(shí)，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(hào)的幅度降到0V。為保持信號(hào)的穩(wěn)定，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該對(duì)ML2035的電源輸入端進(jìn)行電源去耦處理，即在VCC和VSS電源端各接一個(gè)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(guān)系式為：

圖3 ML2035的內(nèi)部框圖

圖4 串行接口時(shí)序

2.4 按鍵和顯示系統(tǒng)

ZLG7290鍵盤/LED驅(qū)動(dòng)器是周立功公司針對(duì)儀器儀表行業(yè)的是一款功能強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)芯片。它內(nèi)置I2C串行接口并可驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管或64個(gè)獨(dú)立LED和64個(gè)按鍵，提供鍵盤中斷信號(hào)，可控掃描位數(shù)并且可控任一數(shù)碼管閃爍，提供數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán)、移位、段尋址等控制，8個(gè)功能鍵可檢測任一鍵的連擊次數(shù)，無需外接元件即可直接驅(qū)動(dòng)LED，提供工業(yè)級(jí)芯片，抗干擾能力強(qiáng)。該芯片在工業(yè)測控中已有大量應(yīng)用，本文中就不再贅述。

本發(fā)生器使用LM3S101的I/O口模擬I2C串行接口驅(qū)動(dòng)ZLG7290驅(qū)動(dòng)器，外接共陰LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前輸出的正弦波頻率，用戶還可以通過按鍵系統(tǒng)通知LM3S101改變頻率控制字，從而改變ML2035正弦信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的正弦信號(hào)發(fā)生器往往在低頻率輸出時(shí)其頻率的穩(wěn)定度和精度等指標(biāo)都不高，數(shù)字DDS技術(shù)的誕生，使波形發(fā)生器技術(shù)有了進(jìn)一步的飛躍。鑒于此，本文討論了基于ML2035作為低頻正弦信號(hào)發(fā)生芯片，通過微控制器LM3S101作為主控元件，以ZLG7290按鍵顯示驅(qū)動(dòng)器建立了LED數(shù)碼管顯示和按鍵的人機(jī)交互系統(tǒng)，完成了一款簡易的低頻正弦函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。本信號(hào)發(fā)生器外圍元器件少、電路實(shí)現(xiàn)簡單，但可以產(chǎn)生穩(wěn)定度好，精度高的低頻正弦信號(hào)。此類信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用需求量大，而本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)成本較低，可以得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中的信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)幅度不可調(diào)節(jié)。如未來應(yīng)用需調(diào)節(jié)輸出幅度和功率，可通過外擴(kuò)運(yùn)放和功放解決，在解決過程中，如需數(shù)字可調(diào)輸出幅度和功率，可適當(dāng)選用數(shù)字電位器即可，由于該部分功能屬于擴(kuò)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(shí)驗(yàn)教程[M].廣州致遠(yuǎn)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(qū)動(dòng)器[M].廣州致遠(yuǎn)電子有 限公司，2004.