基于51单片机的正弦信号发生器的设计方案

　　正弦信号是电子电路设计中非常重要的信号之一。在很多电子设备和系统中，需要正弦信号作为输入源。基于51单片机的正弦信号发生器设计是一种较为简单且常见的方法。本文将详细介绍如何设计一个基于51单片机的正弦信号发生器。

　　一、51单片机简介

　　51单片机是以英特尔公司的MCS-51单片机为核心的一族单片机，主要用于嵌入式系统和电子设备上。51单片机内部集成了CPU、RAM、ROM、计时器、串行通信接口等功能模块，具有较强的实时控制能力和通用性。

　　二、正弦信号的生成原理

　　正弦信号是一种周期性连续信号，可由谐振电路或数字信号处理的方法生成。在本文中，我们采用数字信号处理的方法来生成正弦信号。

　　数字信号的表示

　　在51单片机中，数字信号是由一系列离散的数值表示的。在正弦信号的表示中，我们采用采样离散化的方式表示连续的正弦波形。

　　数字信号的生成方法

　　正弦信号的生成可以采用多种方法，如查表法、泰勒级数法、数字滤波法等。在本文中，我们采用查表法来生成正弦信号。

　　三、基于51单片机的正弦信号发生器的设计

　　接下来，我们将详细介绍如何设计一个基于51单片机的正弦信号发生器。

　　硬件设计

　　正弦信号发生器的硬件设计包括电路模块的选型和连接。首先，我们需要选择一个适合的DAC芯片，用于将数字信号转换为模拟信号。其次，还需要选择一个合适的放大电路，用于放大DAC输出的信号。最后，还需要连接一个滤波电路，将放大后的信号进行低通滤波，去除高频成分。

　　软件设计

　　正弦信号发生器的软件设计主要包括数据计算和输出控制。首先，我们需要在程序中预先计算一系列正弦信号的离散数值，并存储在一个查找表中。然后，通过控制DAC芯片的输入端口，将查找表中的数值依次输出到DAC芯片。最后，将DAC的输出信号经过放大和滤波后输出。

　　四、总结

　　基于51单片机的正弦信号发生器是一种简单且常见的设计方法。通过合理的硬件设计和软件设计，可以实现较为稳定和精确的正弦信号发生器。未来，我们可以对该设计进行进一步改进，提高信号的质量，实现更多的功能，如频率可调、幅度可调等。

　　采用ML2035的简易正弦信号发生器应用设计

　　摘要：在电子和通信产品中往往需要高精度的正弦信号，而传统的正弦信号发生器往往在低频输出时的频率的稳定度和精度等指标都不高。文中介绍了MicroLinear公司的一款单片正弦信号发生芯片ML2035，它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,并利用此芯片完成了简易正弦信号发生器电路的设计。

　　正弦信号源是一种广泛应用的信号源,对它的要求也随着技术的发展越来越高。传统的正弦信号发生器往往在低频输出时的频率的稳定度和精度等指标都不高。我们知道为了获得高频率稳定度的信号源，往往采用锁相环实现，但这种方法电路复杂、体积庞大。近年来，DDS技术由于具有容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号,这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域得到了十分广泛的应用。然而，如果选用通常的Analog公司的系列DDS芯片研制低频正弦信号发生器，往往需要外部微处理器，因此电路较复杂，并且频率稳定度不佳。为此，本文将讨论基于ML2035设计简易的正弦信号发生器，它具有外围元器件少，电路实现简单，可以不需要外部微处理器的特点。

　　ML2035是MicroLinear公司的一款单片正弦信号发生芯片，它可以在几乎不需要其它外围器件的条件下，产生直流到25kHz的正弦信号，并且它的输出正弦信号频率可以由16比特的串行比特字控制。因此，ML2035可以广泛地应用于需要价格低、精度高的正弦信号发生器的无线通信或调制解调等领域。ML2035的主要特点如下：

　　●输出正弦信号频率为直流到25kHz;

　　●具有低增益误差和低谐波畸变性能;

　　●具有3线SPI兼容性串行微处理器接口，并具有数据锁存功能;

　　●具有不需要外围器件的全集成解决方案功能;

　　●频率分辨率可达1.5Hz

　　(当输入时钟频率为

　　时);

　　●自

　　带的内部晶振;

　　●具有同步和异步的数据加载功能。

　　正弦信号的产生

　　ML2035的基本原理和DDS一样，它内部主要由正弦信号产生、晶振和串行数字接口等部分组成。但是，ML2035的外围电路及其简单，它仅有8个引脚。ML2035的可编程频率发生器的基本原理和直接频率合成器(DDS)的基本原理完全一样。我们知道，DDS芯片一般由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、D/A转换器和低通滤波器组成。DDS芯片的核心部件是相位累加器,它由N位加法器与N位相位寄存器构成,它类似一个简单的计数器。每来一个时钟脉冲,相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值,加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加,把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加,累加至满量程时产生一次计数溢出,这个溢出频率即为DDS的输出频率。正弦查询表是一个可编程只读存储器(PROM),存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值,包 含一个周期正弦波的数字幅度信息,每个地址对应于正弦波中

　　:

　　范围的一个相位点。将相位寄存器的输出与相位控制字相加得到的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址,查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号,驱动DAC,输出模拟信号;低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量,以便输出频谱纯净的正弦波信号。

　　由于ML2035的控制字长为16比特，因此据DDS的原理我们不难得出ML2035的输出频率关系式为

　　(1)

　　相应地，ML2035的频率分辨率(亦最小频率)为

　　(2)

　　串行数字接口

　　ML2035的控制可以通过芯片的串行数字接口实现，数字接口部分主要由移位寄存器和数据锁存器组成。SID引脚上的16bits数据字在时钟SCK的上升沿时被送入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。然后在LAI的下降沿触发下，送入移位寄存器的数据被锁存进数据锁存器。为了确保数据的有效锁存，LAI的下降沿应该发生在SCI为“低”电平期间。同理，在SID数据移入移位寄存器期间，LAI应该保持“低”电平。

　　电源方式

　　ML2035具有电源“休眠”功能，这样可以有效提高电源的使用效率，这对于便携式产品是极其有利的。当希望ML2035保持“休眠”时，可以向移位寄存器输入全“0”，并向LATI加载“1”使其保持高电平。在这种情况下，ML2035的功耗可以降到11.5mW以下，而输出正弦信号的幅度降到0V。需要提及的是，在电路设计中应该对ML2035的电源输入端进行电源去耦处理，在电路设计中可以采用如图1所示的电源去耦处理方案。

　　图1ML2035的电源去耦处理方法

　　简易正弦信号发生器设计

　　由DDS的基本原理可以知道，由于ML2035频率分辨能力有限，输出的正弦信号将有可能出现误差。对于不同的参考时钟，将产生不同程度的频率误差，表1例举了ML2035在常见的晶振下的频率控制字和频率误差情况。

　　表1使用常见标准晶振时ML2035所需频率控制字和频率误差情况

　　本文拟采用ML2035设计一简易的频率为1000Hz的高精度无频率误差的正弦信号发生器，由于低于3.5MHz的晶振通常价格较高且体积较大，故这里选用6.5536的晶振。由式(1)可以得知需要的频率控制字为1280，因此需要的16bits控制位为1111D101000000000，这样输出正弦信号的频率误差将在理论上达到0.00%。图2便是实现该简易正弦信号发生器的电路原理图，这里74HC4060计数器的功能是振荡器和计时器，而74HC4002是高速CMOS四与非门器件。为了实现ML2035的输出正弦信号频率为1000Hz，必须使在前8个脉冲移入8比特0，然后在接下来的后8个脉冲移入11111010。

　　图2基于ML2035的1000Hz正弦信号发生器电路原理图

　　结束语

　　由于传统的正弦信号发生器往往在低频输出时的频率的稳定度和精度等指标都不高，如果选用通诸如Analog公司的DDS系列芯片研制低频正弦信号发生器，往往将导致电路复杂、体积庞大等问题。为此，本文讨论了基于ML2035设计一输出频率为1000Hz的简易正弦信号发生器，并拟应用在某雷达设备中。由于它具有外围元器件少，电路实现简单，可以不需要外部微处理器的特点。因此，ML2035可以广泛地应用于产生价格低、精度高的正弦信号。

　　参考文献

　　[1]白振华,赵兴群,夏翎,袁帅.基于DDS的任意波形发生器.现代科学仪器,2001(6):44-47.

　　[2]王文钦.高质量微波信号源发生器研制.电子质量,2004(2):12-14.

　　[3]王永,刘志强,刘硕.DDS在任意波形发生器中的应用.仪表技术,2001(4):22-23.

　　[4]McroLinearCorporation.ML2035datasheet.1997.

　　基于ML2035低频正弦信号发生器的设计

　　1 引 言

　　正弦信号发生器是一种广泛应用的信号源，对它的要求也随着技术的发展越来越高。传统的正弦信号发生器产生电路一般采用模拟电路来实现，低频输出的频率的稳定度和精度等指标都不高。为了要获得高稳定度的信号源，往往要采用锁相环来实现，但电路复杂且体积庞大。

　　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，得到了广泛的应用。DDS 技术具有产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号。这在电子测量、雷达系统、调频通信等领域具有十分重要的作用。若选用通常的DDS 芯片来实现低频正弦信号发生器，往往需要外部微处理器，电路较为复杂。而ML2035可以不需要其他的外围器件。

　　2 ML2035 的工作原理

　　ML2035 原理框图如图1 所示。其内部主要由串行输入接口、相位累加器、正弦波发生器和晶体振荡器4 大部分组成。串行输入接口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， 并传送给相位累加器，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 位作为有效数据传送给正弦波发生器;正弦波发生器把这9 位数据的最高位作为符号位，次最高位作为象限位，低7 位作为正弦搜索表的查表地址，以生成4 象限的波形样值数据;最后，波形数据传送到一个8 位的数模转换器， 形成正弦脉冲波，经过一个低通滤波器平滑波形后输出。下面分别介绍这4 部分的组成和原理。

　　图1 M L2035 的原理框图

　　2. 1 相位累加器

　　相位累加器如图2 所示，它是DDS 的核心部件，由加法器和相位锁存器构成。每来一个时钟脉冲， 相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加， 至满量程时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为DDS 的输出频率。加法器A 组的低16 位( A15 ~ A0 ) 接串行输入接口电路的16 位锁存器输出，高5 位( A20 ~ A16 ) 全部接地。B 组( B20 ~ B0 ) 作为后端锁存器的反馈输入。

　　图2 相位累加器

　　2. 2 正弦波发生器

　　正弦波发生器如图3 所示。由相位累加器送来的低7 位地址码和第8 位( 象限位) 先送到象限求补器。

　　象限位为0 时，象限求补器保持地址码不变;象限位为1 时，它对地址码进行模128 求补。在1 个T OUT 内，生成4 个的TO UT / 4 位地址码。这些地址码被送到ROM用于搜索对应相位点的正弦波样值， 以获得2 个半波的正弦波样值数据，连同相位累加器的最高位一起送到符号求反器。这样使得第一个半波不变，第二个半波被倒相，从而生成一个周期的完整正弦波样值数据。将相位寄存器的输出与相位控制字相加得到的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号驱动DAC 做D/ A 转换，输出模拟信号;低通滤波器平滑，输出频谱纯净的正弦波信号。

　　由DDS 的基本原理可以知道，输出的正弦信号将有可能出现误差。对于不同的参考时钟，将产生不同程度的频率误差，表1 例举了ML2035 在常见的晶振下的频率控制字和频率误差情况。

　　图3 正弦信号发生器

　　表1 ML2035 在常见的晶振下的频率控制字和误差

　　3 基于ML2035 的低频信号发生器的设计

　　输出的正弦信号的频率可以由16 b 的串行比特字控制，广泛地应用在输出正弦波要求高的领域。

　　ML2035 的频率设置值是通过SID 脚串行输入的。数据在SCK 的上升沿移入。当16 b 数据都进入移位寄存器后，在LAT 1 的下降沿锁存。由于ML2035 的控制字是16 b，因此据DDS 的原理可以得出ML2035 的输出频率关系式为：

　　相应地，ML2035 的频率分辨率为：

　　用ML2035 产生100 Hz 的正弦信号，系统所用晶振选取6. 553 6 MHz，通过输出的频率关系式( 1) 可以计算出16 b 的控制字为0000000010000000，则由74LS20 产生16 b 的控制字输入到ML2035 的SID 端，控制ML2035 的输出频率为100 Hz 的正弦信号。通过ML2035 的LAT 1 端在时钟的下降沿将频率控制字锁入16 b 数据锁存器中。正弦信号发生器如图4 所示。

　　图4 100 H z 正弦信号发生器

　　输出的脉冲时序图如图5 所示。

　　图5 脉冲时序图

　　则产生100 Hz 正弦波信号的控制字应由f out = Q5.Q6.Q7.Q8 得出。

　　4 结语

　　由于ML2035 可以不需要外部处理器，能够在外围器件较少的情况下，产生精度和稳定度较高的正弦信号。因此可以应用ML2035 设计出频率在0~ 25 kHz 的高稳定的、高精度的正弦波形。由ML2035 的工作原理，设计了100 Hz 的正弦信号发生器，实验证明该信号发生器具有较高的稳定度和精度。