基于AVR單片機(jī)的高精度頻率調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與高精度測(cè)試中，我們需要相當(dāng)精確的頻率來(lái)幫助判斷設(shè)備性能指標(biāo)。而且我們希望能夠微調(diào)該頻率。采用壓控振蕩器得到的頻率不夠精確，微調(diào)頻率步驟煩瑣，耗時(shí)漫長(zhǎng)，因此有些測(cè)試項(xiàng)目限制了壓控振蕩器的使用。

　　Mega系列單片機(jī)是Atmel公司于2002年起陸續(xù)推出的。這款A(yù)VR增強(qiáng)型單片機(jī)具有速度快，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。為了加快AVR單片機(jī)的軟件編制，Atmel以及第三方提供的開(kāi)發(fā)工具多種多樣，程序開(kāi)發(fā)方便有效。該單片機(jī)內(nèi)部FLASH結(jié)構(gòu)功能靈活，加鎖后很難解密，可以最大限度地保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。AVR單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于通信、野外測(cè)試、汽車電子、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，并且適用于各種低電壓、低功耗的場(chǎng)合。

　　本文提出一種方法能夠基于AVR單片機(jī)，采用AD9850提供精確到1Hz的頻率信號(hào)，不但可以發(fā)生正弦波，也可以發(fā)生方波，從而為要求頻率精度高的企業(yè)解決了難題。它以Atmel公司的AVR單片機(jī)Atmega16L作為核心，能夠方便、準(zhǔn)確地控制輸出頻率。由于AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了在線可編程，所以大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，同時(shí)不會(huì)燒毀、燒費(fèi)芯片，節(jié)約了成本。

　　圖1給出了該頻率調(diào)節(jié)器的整體設(shè)計(jì)框圖。用戶通過(guò)4×4鍵盤設(shè)定頻率值，AVR單片機(jī)使用I/O端口，掃描讀入頻率值。隨后AVR單片機(jī)控制AD9850調(diào)節(jié)到用戶要求的頻率。AD9850的輸出可以接電壓比較器整形為方波，也可以經(jīng)過(guò)低通濾波器限制帶寬，輸出正弦波形。AVR單片機(jī)同時(shí)控制液晶顯示模塊，使之實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前頻率。

圖1. 頻率調(diào)節(jié)器整體框圖

　　2 控制核心與頻率發(fā)生技術(shù)

　　2.1 控制核心

　　本設(shè)計(jì)采用了Atmel公司的AVR單片機(jī)Atmega16L作為控制核心。AVR單片機(jī)的單周期指令能夠保證高的執(zhí)行效率和低成本，是精簡(jiǎn)指令集CPU中的高性能器件。AVR單片機(jī)可以提供高達(dá)16 MIPS的執(zhí)行時(shí)間，具有128K字節(jié)的可編程Flash存儲(chǔ)器，同時(shí)具備4096字節(jié)的靜態(tài)RAM。AVR單片機(jī)自帶看門狗定時(shí)器，在強(qiáng)烈的電磁干擾條件下可以防止程序跑飛。本設(shè)計(jì)中采用的Atmega16L還具有以下特點(diǎn)：

　　· 內(nèi)部包含有硬件乘法器，加快乘法運(yùn)算速度；I/O端口引腳數(shù)多達(dá)32根；

　　· 支持在線可編程功能，不需要頻繁從電路板插拔芯片；帶有可編程的支持同步傳輸?shù)腢ART端口；

　　· 支持三線傳輸SPI端口；具有方便的I2C總線端口，直接與Philips芯片接駁；

　　· 支持JTAG邊界掃描電路；具有BOD低電壓檢測(cè)功能；

　　· 內(nèi)部有8路10位的A/D變換器；具有4個(gè)PMW，可以協(xié)同或單獨(dú)工作；

　　· 內(nèi)部帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；工作頻率最高可達(dá)16MHz。

　　2.2 AD9850頻率發(fā)生技術(shù)

　　AD9850是AD公司推出的低功耗直接數(shù)字頻率合成器芯片，可以產(chǎn)生從直流到62.5MHz的寬頻率信號(hào)，從投入市場(chǎng)到今天已經(jīng)應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)、低功耗頻率源中。它良好的頻率合成功能適合于應(yīng)用在高精度測(cè)試中。本設(shè)計(jì)采用了AD9850作為波形發(fā)生器，具有體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)。

　　在控制流程中，AVR單片機(jī)為AD9850計(jì)算了頻率控制字，并且將頻率控制字寫(xiě)入其中。聯(lián)合小鍵盤上的“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，本設(shè)計(jì)使得頻率可以精確到步長(zhǎng)為1Hz的調(diào)節(jié)。它可以產(chǎn)生方波和正弦波。用戶要求產(chǎn)生正弦波時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了低通濾波器用來(lái)濾除信號(hào)的高頻分量。該低通濾波器還可以使用五階橢圓濾波器實(shí)現(xiàn)。圖2示出了本系統(tǒng)的AD9850電路設(shè)計(jì)圖。PC2——PC5可以同時(shí)作為I2C總線端口。

圖2 AD9850電路設(shè)計(jì)