基于CY7C68013和AD9851的正弦信號發(fā)生器設計

一引言

近年來(lái)，隨著(zhù)通信系統的發(fā)展，人們對信號源的要求越來(lái)越高，直接數字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis簡(jiǎn)稱(chēng)DDS或DDFS)正是在這樣的背景下進(jìn)一步得到了發(fā)展。它具有相對帶寬、頻率分辨率高、頻率轉換時(shí)間短、控制靈活和全數字化的優(yōu)點(diǎn)，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、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(shí)現的正弦信號發(fā)生器，通過(guò)上位機控制AD9851可以調節輸出信號，使輸出信號具有高精度、高頻率、高穩定度的特點(diǎn)。

二信號發(fā)生器系統硬件構成

1.單片機系統.

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;片內擁有 8KB 的 RAM，可完全滿(mǎn)足系統每次傳輸數據的需要,無(wú)需再外接 RAM。由于芯片內部沒(méi)有 ROM,一旦 USB設備斷開(kāi)與 PC的連接,程序代碼將無(wú)法保存,需要每次在 PC機接 USB設備后,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設備通電后,FX2自動(dòng)將片外 E2PROM中的程序讀入芯片中。

由于該系統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(shí)現，如圖 1所示。2 DDS硬件電路設計。

1) DDS的原理及特點(diǎn)

DDS由相位累加器、正弦查表、D/A 轉換器和低通濾波器組成，如圖 2所示。 DDS 的參考時(shí)鐘是一個(gè)穩定的晶體振蕩器，用它來(lái)同步整個(gè)合成器的各個(gè)功能模塊。相位累加器類(lèi)似于一個(gè)簡(jiǎn)單的計數器，相位累加器把頻率控制字 FSW 的數據變成相位抽樣來(lái)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(guò)給定的相位增量來(lái)確定輸出頻率的值。當用這樣的數據尋址時(shí)，正弦查表就把存儲在相位累加器中的抽樣值轉換成正弦波幅度的數字量函數。通過(guò) 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(jìn)的 CMOS技術(shù)生產(chǎn)的直接數字頻率合成器，其昀高工作時(shí)鐘為180MHz，內部除了有完整的高速 DDS外，還集成了一個(gè)時(shí)鐘 6倍頻器和一個(gè)高速比較器。集成的 6倍頻時(shí)鐘器降低了外部參考時(shí)鐘頻率，僅需一個(gè) 30MHz 晶振即可。因此減小了高頻輻射，提高了系統的電磁兼容能力。 AD9851DDS 系統采用 32bits相位累加器及10bitsDAC，在 70MHz模擬輸出時(shí)，DAC輸出的抑制寄生動(dòng)態(tài)范圍 SFDR>43dB。5bits 相位控制可實(shí)現昀小 11.5° 的相位改變。頻率控制和相位調節可采用并行或串行輸入方式。

3)濾波器

在A(yíng)D9851D/A轉換器輸出端與其內部比較器輸入之間,需要外接一個(gè)低通濾波器,用于抑制諧波干擾?？紤]到橢圓函數濾波器比全極點(diǎn)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)指標下所需階數昀低, 因此電路實(shí)現起來(lái)也比其他類(lèi)型濾波器容易。故采用橢圓函數濾波器。圖3是利用Ansoft Designer System進(jìn)行設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調制信號發(fā)生器

在本系統的調制信號發(fā)生器模塊中，設計了幾個(gè)外擴模塊，從而使的系統更加完善和健全。

1)2ASK：

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

2)2PSK：

實(shí)現原理與 2ASK類(lèi)似，單片機計算出 AD9851所需要的兩組控制字，然后根據比特率10Kbps的要求，每隔50us，將這兩組控制字依次送入 DDS芯片。

3)頻率調制：

根據調制信號的周期，計算出頻率控制字更新的時(shí)間，然后循環(huán)送至DDS，模擬調頻信號頻率的變化。

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(guò)調節電阻阻值來(lái)調整電路的增益。后一級為電壓跟隨，進(jìn)一步提高電路的帶載能力。

三：信號發(fā)生器系統軟件構成

本系統開(kāi)發(fā)主要是基于高速 USB特性，加上豐富的軟件開(kāi)發(fā)包，有利于快速開(kāi)發(fā)一個(gè)穩定，高效的系統，對進(jìn)一步拓展系統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(kāi)發(fā)工具包下載, 該開(kāi)發(fā)包提供了開(kāi)發(fā)固件程序的所需的一些資源,如 Keil μVision2 集成開(kāi)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(guò)上電后的自檢自動(dòng)將固件程序加在 CY7C68013上;另一種方式是通過(guò)主機將固件程序下載到CY7C68013。

本系統在設計上采用外接一片 EEPROM芯片來(lái)存放 USB設備配置信息和 8051應用程序。該應用程序在上電后加載到 8051內核，主要完成兩個(gè)任務(wù)：實(shí)現 USB協(xié)議，包括 USB設備配置及 USB數據傳輸;實(shí)現對 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，主要執行以下任務(wù)，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(wù)執行階段，完成 USB事務(wù)及用戶(hù)特定的任務(wù)。