基于CY7C68013和AD9851的正弦信號發(fā)生器設(shè)計

一引言

近年來，隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，人們對信號源的要求越來越高，直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS或DDFS)正是在這樣的背景下進一步得到了發(fā)展。它具有相對帶寬、頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時間短、控制靈活和全數(shù)字化的優(yōu)點，并且成本低，功耗小。它的優(yōu)越性能使其在跳頻通信、雷達系統(tǒng)、電子測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。采用DDS芯片AD9851和EZ-USB單片機CY7C68013實現(xiàn)的正弦信號發(fā)生器，通過上位機控制AD9851可以調(diào)節(jié)輸出信號，使輸出信號具有高精度、高頻率、高穩(wěn)定度的特點。

二信號發(fā)生器系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.單片機系統(tǒng).

本文采用CYPRESS公司的高速USB2.0芯片 CY7C68013 ，該芯片集成增強型 8051內(nèi)核和 USB接口的單片機 , 完全遵從 USB2.0協(xié)議,昀高速度可達 480Mbps的傳輸率;片內(nèi)擁有 8KB 的 RAM，可完全滿足系統(tǒng)每次傳輸數(shù)據(jù)的需要,無需再外接 RAM。由于芯片內(nèi)部沒有 ROM,一旦 USB設(shè)備斷開與 PC的連接,程序代碼將無法保存,需要每次在 PC機接 USB設(shè)備后,重新下載，另外,CY7C68013支持一種“E2PROM引導方式”,即先將固件下載到片外 E2PROM中,當每次 USB設(shè)備通電后,FX2自動將片外 E2PROM中的程序讀入芯片中。

由于該系統(tǒng)主要是利用其特殊的 USB2.0和單片機特性，所以外部電路較容易實現(xiàn)，如圖 1所示。2 DDS硬件電路設(shè)計。

1) DDS的原理及特點

DDS由相位累加器、正弦查表、D/A 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成，如圖 2所示。 DDS 的參考時鐘是一個穩(wěn)定的晶體振蕩器，用它來同步整個合成器的各個功能模塊。相位累加器類似于一個簡單的計數(shù)器，相位累加器把頻率控制字 FSW 的數(shù)據(jù)變成相位抽樣來確定輸出頻率的大小。相位增量的大小隨外部指令 FSW 的不同而不同，通過給定的相位增量來確定輸出頻率的值。當用這樣的數(shù)據(jù)尋址時，正弦查表就把存儲在相位累加器中的抽樣值轉(zhuǎn)換成正弦波幅度的數(shù)字量函數(shù)。通過 D/A 變換器和低通濾波器得到所需的信號波形。DDS 的輸出=fr·FSW/2N ， DDS 的頻率分辨率為： Δf O =fr/2N 。

2) AD9851的工作原理及特性

AD9851是 AD公司推出的采用先進的 CMOS技術(shù)生產(chǎn)的直接數(shù)字頻率合成器，其昀高工作時鐘為180MHz，內(nèi)部除了有完整的高速 DDS外，還集成了一個時鐘 6倍頻器和一個高速比較器。集成的 6倍頻時鐘器降低了外部參考時鐘頻率，僅需一個 30MHz 晶振即可。因此減小了高頻輻射，提高了系統(tǒng)的電磁兼容能力。 AD9851DDS 系統(tǒng)采用 32bits相位累加器及10bitsDAC，在 70MHz模擬輸出時，DAC輸出的抑制寄生動態(tài)范圍 SFDR>43dB。5bits 相位控制可實現(xiàn)昀小 11.5° 的相位改變。頻率控制和相位調(diào)節(jié)可采用并行或串行輸入方式。

3)濾波器

在AD9851D/A轉(zhuǎn)換器輸出端與其內(nèi)部比較器輸入之間,需要外接一個低通濾波器,用于抑制諧波干擾?？紤]到橢圓函數(shù)濾波器比全極點型濾波器(如巴特沃茲、切貝雪夫濾波器等)能做到對理想低通的昀佳近似,且在同等技術(shù)指標下所需階數(shù)昀低, 因此電路實現(xiàn)起來也比其他類型濾波器容易。故采用橢圓函數(shù)濾波器。圖3是利用Ansoft Designer System進行設(shè)計的橢圓低通濾波器原理圖。該圖指標為: 從0—60MHz 昀大波紋小于12dB,在75MHz處昀小衰減為50dB。

3調(diào)制信號發(fā)生器

在本系統(tǒng)的調(diào)制信號發(fā)生器模塊中，設(shè)計了幾個外擴模塊，從而使的系統(tǒng)更加完善和健全。

1)2ASK：

單片機首先計算出 100KHz載波的控制字，直接送入 DDS芯片，再根據(jù)比特率 10Kbps的要求，每隔100us，通過 PB口，輸出一個控制信號到模擬開關(guān)，將正弦波信號變?yōu)?2ASK信號。

2)2PSK：

實現(xiàn)原理與 2ASK類似，單片機計算出 AD9851所需要的兩組控制字，然后根據(jù)比特率10Kbps的要求，每隔50us，將這兩組控制字依次送入 DDS芯片。

3)頻率調(diào)制：

根據(jù)調(diào)制信號的周期，計算出頻率控制字更新的時間，然后循環(huán)送至DDS，模擬調(diào)頻信號頻率的變化。

4寬帶功率放大電路

采用 AD811的兩級信號放大電路，第一級為電壓放大電路，通過調(diào)節(jié)電阻阻值來調(diào)整電路的增益。后一級為電壓跟隨，進一步提高電路的帶載能力。

三：信號發(fā)生器系統(tǒng)軟件構(gòu)成

本系統(tǒng)開發(fā)主要是基于高速 USB特性，加上豐富的軟件開發(fā)包，有利于快速開發(fā)一個穩(wěn)定，高效的系統(tǒng)，對進一步拓展系統(tǒng)的功能和精度有很好的快速升級能力。Cypress 公司的網(wǎng)站提供了 CY7C68013 芯片的開發(fā)工具包下載, 該開發(fā)包提供了開發(fā)固件程序的所需的一些資源,如 Keil μVision2 集成開發(fā)環(huán)境(限制版)、Cypress C51固件框架程序以及一些例子程序。CY7C68013 的固件主要有兩種引導方式, 一種是存儲在 EEPROM上, 通過上電后的自檢自動將固件程序加在 CY7C68013上;另一種方式是通過主機將固件程序下載到CY7C68013。

本系統(tǒng)在設(shè)計上采用外接一片 EEPROM芯片來存放 USB設(shè)備配置信息和 8051應用程序。該應用程序在上電后加載到 8051內(nèi)核，主要完成兩個任務：實現(xiàn) USB協(xié)議，包括 USB設(shè)備配置及 USB數(shù)據(jù)傳輸;實現(xiàn)對 AD9851的初始化以及對信號的產(chǎn)生和控制。

1固件程序框架

固件程序流程如圖 4所示，主要執(zhí)行以下任務，其中步驟①~⑤主要是完成 USB接口的初始化工作，而步驟⑥~⑩可以看作是任務執(zhí)行階段，完成 USB事務及用戶特定的任務。