Το ML2035 είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) παραγωγής ημιτονικού σήματος (sine wave generator) με την δυνατότητα ρύθμηση συχνότητας να γίνεται με ψηφιακό σειριακό προγραμματισμό. Το ML2035 είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να δίνει ακριβείς τόνους από DC εως 25 kHz χωρίς να απαιτεί εξωτερικά αναλογικά εξαρτήματα για τη δημιουργία της κυματομορφής.
Η αναφορά συχνότητας της ημιτονοειδούς εξόδου προέρχεται είτε από εξωτερικό κρύσταλλο είτε από είσοδο ρολογιού που σε αυτή την περίπτωση απαιτείται στάθμη TTL και συχνότητα μεταξύ 0 και 12MHz στην είσοδο CLK IN (pin 8), παρέχοντας μια σταθερή και ακριβή συχνότητα εξόδου.
Η συχνότητα της ημιτονοειδούς εξόδου προγραμματίζεται μέσω ενός καταχωρητή ολίσθησης 16bit δηλαδή μιας σειριακής λέξης δεδομένων 16bit.
Βασικά χαρακτηριστικά
- Προγραμματιζόμενη συχνότητα εξόδου: DC έως 25 kHz.
- 3‑wire σειριακή διεπαφή συμβατή με SPI και διπλά buffer για ασφαλή ενημέρωση συχνότητας (double‑buffered latch).
- Πλήρως ολοκληρωμένη λύση (δεν απαιτούνται εξωτερικά components για να “χτιστεί” το ημίτονο).
- Τυπική αρμονική παραμόρφωση 2ης και 3ης αρμονικής τουλάχιστον ~45 dB κάτω από το θεμελιώδες στη ζώνη 20 Hz–5 kHz (και ~40 dB μέχρι 25 kHz).
Διάταξη ακροδεκτών
(pin 1) VSS: Αρνητική τροφοδοσία (-5V).
(pin 2) SCK: Σειριακό ρολόι. Ψηφιακή είσοδος που χρονίζει (εισάγει) τα σειριακά δεδομένα στις ανερχόμενες ακμές του.
(pin 3) SID: Σειριακά δεδομένα εισόδου που προγραμματίζουν τη συχνότητα του
(pin 4) LATI: Ψηφιακή είσοδος που «μανδαλώνει» τα σειριακά δεδομένα στον εσωτερικό καταχωρητή μανδάλωσης δεδομένων (data latch) στην κατερχόμενη ακμή του.
(pin 5) VCC: Θετική τροφοδοσία (+5V).
(pin 6) VOUT: Αναλογική έξοδος. Το πλάτος ταλάντωσης (swing) του σήματος εξόδου είναι ±Vcc/2
(pin 7) GND: Γείωση. Όλες οι είσοδοι και οι έξοδοι αναφέρονται σε αυτό το σημείο.
(pin 8) CLK IN: Είσοδος ρολογιού. Το εσωτερικό σήμα ρολογιού μπορεί να παραχθεί είτε συνδέοντας κρύσταλλο 3 έως 12MHz παράλληλου συντονισμού από αυτό το pin προς GND, είτε εφαρμόζοντας απευθείας στο pin ένα ψηφιακό σήμα ρολογιού.
Λειτουργική περιγραφή
Στο ακόλουθο σχήμα δείχνουμε το γενικό διάγραμμα λειτουργίας και την διάταξη ακίδων.
Το ML2035 περιλαμβάνει ένα καταχωρητή ολίσθησης 16 bit καθώς επίσης και έναν ενδιάμεσο καταχωρητή δεδομένων τύπου Latch. Το περιεχόμενο του τελευταίου καταχωρητή είναι εκείνο που ορίζει τελικά την συχνότητα εξόδου. Προς τούτο χρησιμοποιείται ένας καταχωρητής φάσης (Phase Accumulator) και ένας πίνακας τιμών (look-up-Table). Ο μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό 8 bit μετατρέπει τις ψηφιακές τιμές που παίρνει από τον καταχωρητή φάσης σε αναλογική τάση. Για την εξομάλυνση της αναλογικής τάσης χρησιμοποιείται ένα βαθυπερατό φίλτρο. Η προγραμματιζόμενη γεννήτρια συχνότητας παράγει μια έξοδο, της οποίας η συχνότητα καθορίζεται από μια ψηφιακή λέξη 16-bit.
Η γεννήτρια συχνότητας αποτελείται από έναν συσσωρευτή φάσης (phase accumulator), ο οποίος χρονίζεται στη συχνότητα fCLKIN/4 όπου fCLKIN η συχνότητα αναφοράς.
Η τιμή που είναι αποθηκευμένη στον καταχωρητή μανδάλωσης δεδομένων (data latch) προστίθεται στον συσσωρευτή φάσης κάθε 4 κύκλους του fCLKIN
Η συχνότητα της αναλογικής εξόδου είναι ίση με τον ρυθμό με τον οποίο υπερχειλίζει (overflow) ο συσσωρευτής και δίνεται από την εξίσωση:
Η ανάλυση συχνότητας και η ελάχιστη συχνότητα είναι ίδιες και δίνονται από την ακόλουθη εξίσωση:
ΔfMIN=fCLKIN/222 έτσι όταν fCLKIN=12,352MHz είναι ΔfMIN=1,5Hz
Λόγω της κβάντισης φάσης (phase quantization) της γεννήτριας συχνότητας, μπορεί να υπάρχουν παρασιτικοί τόνοι (spurious tones) στην έξοδο, σε στάθμη έως και –55 dB σε σχέση με τη θεμελιώδη συνιστώσα. Η ενέργεια αυτών των τόνων περιλαμβάνεται στην προδιαγραφή σήμα προς θόρυβο + παραμόρφωση (signal to noise + distortion). Η συχνότητα αυτών των τόνων μπορεί να είναι πολύ κοντά στη θεμελιώδη. Επομένως, δεν είναι πρακτικό να φιλτραριστούν.
Γεννήτρια ημιτονοειδούς
Η γεννήτρια ημιτονοειδούς αποτελείται από έναν πίνακα αναζήτησης ημιτόνου (sine look-up table), έναν DAC και ένα φίλτρο εξομάλυνσης εξόδου. Ο πίνακας αναζήτησης ημιτόνου προσπελαύνεται (addressed) από τον συσσωρευτή φάσης. Ο DAC οδηγείται από την έξοδο του πίνακα αναζήτησης και παράγει μια κλιμακωτή (staircase) αναπαράσταση ενός ημιτονοειδούς κύματος.
Το φίλτρο εξόδου εξομαλύνει την αναλογική έξοδο αφαιρώντας τα υψηλής συχνότητας στοιχεία της δειγματοληψίας. Η προκύπτουσα τάση στο VOUT είναι ένα ημίτονο, με τις συνιστώσες παραμόρφωσης της 2ης και 3ης αρμονικής τουλάχιστον 45 dB κάτω από τη θεμελιώδη.
Το ML2035 παρέχει τάση ημιτόνου κορυφής ±VCC/2, με αναφορά ως προς το GND.
Το αναλογικό τμήμα έχει σχεδιαστεί να λειτουργεί σε εύρος από DC έως 25 kHz. Λόγω περιορισμών στον ρυθμό ανόδου (slew rate), η τάση εξόδου κορυφής-προς-κορυφή πρέπει να περιορίζεται σε 5V στα 25kHz για Vcc=5V
Το Vout μπορεί να οδηγήσει φορτία 1kΩ, 100pF.
Κρυσταλλικός ταλαντωτής
Ο ταλαντωτής κρυστάλλου παράγει ένα ακριβές σήμα αναφοράς για την προγραμματιζόμενη γεννήτρια συχνότητας. Το εσωτερικό σήμα ρολογιού μπορεί να παραχθεί είτε με κρύσταλλο είτε από εξωτερικό σήμα ρολογιού.
Αν χρησιμοποιηθεί κρύσταλλος, πρέπει να τοποθετηθεί μεταξύ των ακροδεκτών CLK IN και GND του ML2035. Τότε, ένας ενσωματωμένος ταλαντωτής κρυστάλλου (on-chip) θα δημιουργήσει το εσωτερικό σήμα ρολογιού. Δεν απαιτούνται άλλοι εξωτερικοί πυκνωτές ή εξαρτήματα. Ο κρύσταλλος θα πρέπει να είναι τύπου παράλληλου συντονισμού (parallel-resonant) με συχνότητα μεταξύ 3 MHz και 12.4 MHz. Θα πρέπει να τοποθετηθεί φυσικά όσο το δυνατόν πιο κοντά στους ακροδέκτες CLK IN και GND.
Αν είναι επιθυμητή, μια εξωτερική πηγή ρολογιού, αυτή μπορεί να συνδεθεί απευθείας στον ακροδέκτη CLK IN. Η συχνότητα αυτού του ρολογιού μπορεί να είναι οπουδήποτε μεταξύ 0 και 12 MHz.
Ο κρύσταλλος πρέπει να έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
- Τύπος: παράλληλου συντονισμού (parallel resonant).
- Συχνότητα: 3 MHz έως 12.4 MHz.
- Μέγιστη ισοδύναμη σειριακή αντίσταση (ESR): 15 Ω για επίπεδα διέγερσης (drive levels) από 1 µW έως 200 µW, και 30 Ω για επίπεδα διέγερσης από 10 nW έως 1 µW.
- Τυπική χωρητικότητα φορτίου (load capacitance): 18 pF.
- Μέγιστη χωρητικότητα περιβλήματος (case capacitance): 7 pF.
Η συχνότητα ταλάντωσης θα είναι συνάρτηση των παραμέτρων του κρυστάλλου και της χωρητικότητας της πλακέτας (PCB).
Σειριακή ψηφιακή διεπαφή
Η ψηφιακή διεπαφή αποτελείται από έναν καταχωρητή ολίσθησης (shift register) και ένα καταχωρητή μανδάλωσης δεδομένων (data latch). Η σειριακή λέξη δεδομένων 16-bit στο SID χρονίζεται μέσα σε έναν 16-bit καταχωρητή ολίσθησης στις ανερχόμενες ακμές του σειριακού ρολογιού μετατόπισης, SCK. Πρέπει να μετατοπίζεται πρώτα το LSB και τελευταίο το MSB, όπως φαίνεται στο Σχήμα.
Τα δεδομένα που έχουν μετατοπιστεί στον καταχωρητή ολίσθησης φορτώνονται στον καταχωρητή μανδάλωσης 16-bit στην κατερχόμενη ακμή του LATI. Για να διασφαλιστεί ότι φορτώνονται σωστά τα δεδομένα στον καταχωρητή, η κατερχόμενη ακμή του LATI πρέπει να συμβαίνει όταν το SCK είναι χαμηλό, όπως φαίνεται στο Σχήμα.
Το LATI πρέπει να παραμένει χαμηλό κατά τη μετατόπιση των δεδομένων στον καταχωρητή ολίσθησης, ώστε να αποφεύγεται η ακούσια είσοδος σε λειτουργία power down. Σημειώστε ότι όλα τα δεδομένα εισάγονται και μανδαλώνονται στις ακμές (edges) και όχι στα επίπεδα (levels) των SCK και LATI.
Λειτουργία Power Down
Η λειτουργία power down του ML2035 μπορεί να ενεργοποιηθεί με στάθμη +5V στην ακίδα LATI και αφού προηγουμένως έχουν γεμίσει με μηδενικά όλες οι θέσεις του στον καταχωρητή ολίσθησης. Ένα κύκλωμα ανίχνευσης μηδενικών δεδομένων ανιχνεύει πότε όλα τα bits στον καταχωρητή ολίσθησης είναι μηδενικά. Σε αυτή την κατάσταση, η κατανάλωση ισχύος μειώνεται σε μέγιστο 11.5 mW, και το VOUT πηγαίνει στα 0 V και «φαίνεται» ως 10 kΩ προς τη γη. Το κύριο ρολόι, CLK IN, μπορεί να παραμείνει ενεργό ή να αφαιρεθεί κατά τη λειτουργία power down.
Τα αναλογικά κυκλώματα στο ML2035 τροφοδοτούνται από το VCC προς το VSS και έχουν αναφορά ως προς το GND. Τα ψηφιακά κυκλώματα της διάταξης τροφοδοτούνται από το VCC προς το GND.
Συνιστάται οι τροφοδοσίες της διάταξης να παρακάμπτονται (bypass) με την τοποθέτηση πυκνωτών αποσύζευξης (decoupling capacitors) από VCC προς GND και από VSS προς GND, όσο το δυνατόν πιο κοντά στη διάταξη (φυσικά/μηχανικά).
Εφαρμογές
Μια πρακτική εφαρμογή του ML2035, σαν προγραμματιζόμενη από μικροελεγκτή γεννήτρια ημιτονικού σήματος, παρατίθεται στο ακόλουθο σχήμα.
Η συχνότητα εξόδου της γεννήτριας αυτής ορίζεται με ένα μικροελεκτή AVR π.χ. τον ATmega328 σε βήματα 0,5 Hz και καλύπτει την περιοχή από 0 έως 32767,5 Hz. Και επειδή ο κρύσταλλος λειτουργεί με παράλληλο συντονισμό, μπορεί ο χρήστης με ένα μεταβλητό πυκνωτή σε παράλληλη σύνδεση να ρυθμίσει με ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια τη συχνότητα εξόδου.