基于EZ-USB單片機的正弦信號發(fā)生器

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、頻率轉換時間短、控制靈活和全數字化的優(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)、電子測量等領域得到了廣泛的應用。采用DDS芯片AD9851和EZ-USB單片機CY7C68013實現的正弦信號發(fā)生器，通過上位機控制AD9851可以調節(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，可完全滿足系統(tǒng)每次傳輸數據的需要,無需再外接 RAM。由于芯片內部沒有 ROM,一旦 USB設備斷開與 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，如圖 1所示。2 DDS硬件電路設計。

1) DDS的原理及特點

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器，相位累加器把頻率控制字 FSW 的數據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。當用這樣的數據尋址時，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 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技術生產的直接數字頻率合成器，其昀高工作時鐘為180MHz，內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 相位控制可實現昀小 11.5° 的相位改變。頻率控制和相位調節(jié)可采用并行或串行輸入方式。

3)濾波器

在AD9851D/A轉換器輸出端與其內部比較器輸入之間,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,且在同等技術指標下所需階數昀低, 因此電路實現起來也比其他類型濾波器容易。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(tǒng)的調制信號發(fā)生器模塊中，設計了幾個外擴模塊，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，將正弦波信號變?yōu)?2ASK信號。

2)2PSK：

實現原理與 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，通過調節(jié)電阻阻值來調整電路的增益。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)在設計上采用外接一片 EEPROM芯片來存放 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，主要完成兩個任務：實現 USB協(xié)議，包括 USB設備配置及 USB數據傳輸;實現對 AD9851的初始化以及對信號的產生和控制。

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。[!--empirenews.page--]

① 初始化所有的狀態(tài)變量;

② CY7C68013中 USB端點寄存器進行初始化設置;

③ 判斷是否重新定位描述符表，以確保描述符表的存放地址位于片內RAM;

④ 使能 USB中斷，并允許所選擇的中斷;

⑤ 判斷是否有來自系統(tǒng)的“重新枚舉”命令，如有，則重新枚舉;

⑥ 初始化 AD9851模塊內部寄存器以及缺省模式下的信號配置;

⑦ 判斷是否接收到 setup令牌包，如有，則調用相應函數響應 USB設備請求命令;

⑧ 判斷是否進入睡眠狀態(tài)，如是，則將 CY7C68013置于睡眠狀態(tài);

⑨ 查詢是否有來自上位機的修改波形命令，按照程序執(zhí)行與波形修改有關的任務;

⑩ 返回⑦，循環(huán)接收并執(zhí)行來自上位機的各種命令。

2 AD9851工作流程 AD9851工作流程共包含40位控制碼(D39～D0),其作用為:

(1)D39、D38用來控制AD9851數據輸入的模式。AD9851的數據輸入模式分為并行輸入模式和串行輸入模式兩種。在并行輸入模式下,模式控制碼為“00”,每次8bit數據輸入端D0～D7分5次數輸入頻率控制字。

(2)D37用來調節(jié)AD9851輸出的功率。

(3)D36～D32相位調制碼,用來控制AD9851的相位調制量。

(4)D31～D0用來控制AD9851輸出的頻率。這32位頻率控制碼是由輸入的頻率控制字轉換過來的。具體轉換關系為：

(5) AD9851 中的 DDS內核所需輸入控制字由單片機提供。在進行頻率控制時, 首先送入相位調制碼、功率調節(jié)碼和輸入模式控制碼, 然后送入 32bit頻率控制碼。本系統(tǒng)設置AD9851工作在并行數據輸入模式。系統(tǒng)啟動后,接受用戶從鍵盤所輸入的功能，調用相應的子程序，根據信號的頻率值、以及 2psk功能下相位值,單片機將頻率值根據公式轉換為頻率相位控制字,初始相位值按照公式Phase(度)/11.25°轉換為 5位二進制數相位調制字,準備送往 AD9851頻率控制輸出。在傳輸數據之前,單片機先向 AD9851產生一個 RESET上升沿信號, 并延時 7ns,使整個下位機系統(tǒng)復位, 再依次傳輸一個 8 bit的相位調制碼和置AD9851工作模式碼以及 32bit的頻率控制碼。每傳輸一次 8bit的控制碼后,需由軟件產生一個有效的 WCLK上升沿信號,將控制碼送入 AD9851輸入數據寄存器中,重復五次后即可將40位的控制碼全部加載到AD9851內部的數據寄存器中,昀后產生一個有效的 FQUD上升沿信號,將 40bit的控制碼全部加載到 AD9851中的 DDS頻率合成單元中,經過 13到 18個時鐘周期后,就可獲得所需的頻率輸出信號。

3 驅動程序設計在 Cypress 公司的 EZ-USBFX2 開發(fā)包中，提供了完整的 CY7C68013 驅動程序源代碼、控制面板程序及固件的框架，可以大大加快用戶開發(fā)的進度。用戶只需對所帶驅動程序稍加

修改，再經過 DDK 編譯后使用，使得軟件開發(fā)者大量的時間主要集中在應用程序和固件的開發(fā)上。本設計采用的 USB設備驅動程序就是對 FX2開發(fā)包所帶的驅動程序做了一些修改，主要是修改了 DeviceIoControl例程，增加了控制數據傳輸函數、啟動和停止 AD9851等。四結束語

本文提出了一種基于 EZ-USB和 AD9851的正弦信號發(fā)生器系統(tǒng)方案，利用 EZ-USB的優(yōu)點，通過上位機軟件的簡單數據輸入，可以產生供實驗所需要的信號源，極大的提高了系統(tǒng)的靈活性和可配置性。通過實驗測定，測試的輸出頻率準確度與穩(wěn)定度達到 10 -6。