EZ-USB單片機(jī)“高精度、高頻率、高穩(wěn)定度”有保障

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(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(zhuǎn)換時間短、控制靈活和全數(shù)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(dá)系統(tǒng)、電子測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用DDS芯片AD9851和EZ-USB單片機(jī)CY7C68013實(shí)現(xiàn)的正弦信號發(fā)生器，通過上位機(jī)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(diǎn)。

二、信號發(fā)生器系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.單片機(jī)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(qiáng)型 8051內(nèi)核和 USB接口的單片機(jī), 完全遵從 USB2.0協(xié)議,昀高速度可達(dá) 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(jī)接 USB設(shè)備后,重新下載，另外，CY7C68013支持一種“E2PROM引導(dǎo)方式”,即先將固件下載到片外 E2PROM中，當(dāng)每次 USB設(shè)備通電后，F(xiàn)X2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(jī)特性，所以外部電路較容易實(shí)現(xiàn)，如圖 1所示。

2.DDS硬件電路設(shè)計(jì)

1) DDS的原理及特點(diǎn)

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(jì)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(dāng)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(jìn)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(shí)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(diǎn)型濾波器(如巴特沃茲、切貝雪夫?yàn)V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(biāo)下所需階數(shù)昀低, 因此電路實(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)的橢圓低通濾波器原理圖。該圖指標(biāo)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(jì)了幾個外擴(kuò)模塊，從而使的系統(tǒng)更加完善和健全。

1)2ASK：

單片機(jī)首先計(jì)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。