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基于ATmega8的DDS信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
2013-03-04
頻率源是雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗與電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)的關(guān)鍵，很多現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)的功能都直接依賴于所用頻率源的性能，因此頻率源被人們喻為眾多電子系統(tǒng)的“心臟”。而當(dāng)今高性能的頻率源均通過(guò)頻率合成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。頻率合成器是利用一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)各種技術(shù)途徑產(chǎn)生大量離散頻率信號(hào)的設(shè)備。傳統(tǒng)的頻率合成器有直接模擬合成法與鎖相環(huán)合成法兩種。直接模擬合成法利用倍頻、分頻、混頻及濾波，從單一或幾個(gè)參考頻率中產(chǎn)生多個(gè)所需的頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快（小于100ns），但是體積大、功耗大，目前已基本不被采用。鎖相環(huán)式頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性，可以很好地選擇所需頻率的信號(hào)，抑制雜散分量，并且避免了大量的濾波器，有利于集成化和小型化。但存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾，一般只能用于大步進(jìn)頻率合成技術(shù)中。
直接數(shù)字頻率合成是采用數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)控制相位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率信號(hào)的一種頻率合成方法。DDS的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由相位累加器、正弦ROM/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。
參考時(shí)鐘ｆr由一個(gè)穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生。相位累加器由Ｎ位加法器與Ｎ位相位寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，類似于一個(gè)簡(jiǎn)單的加法器。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與相位寄存器輸出的累積相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至相位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累積滿量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是DDS合成信號(hào)的一個(gè)頻率周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。
在參考時(shí)鐘ｆr的控制下，頻率控制字由累加器累加以得到相應(yīng)的相位數(shù)據(jù)，把此數(shù)據(jù)作為取樣地址，來(lái)尋址正弦ＲＯＭ表進(jìn)行相位－幅度變換，即可在給定的時(shí)間上確定輸出的波形幅值。DAC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)，低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，這樣即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波。
4×4的小鍵盤(pán)用于設(shè)定工作模式、頻率和相位參數(shù)，顯示部分采用16×2的通用點(diǎn)陣字符液晶顯示器。調(diào)制信號(hào)通過(guò)接口電路送入AD9832，然后通過(guò)0～10MHz的低通濾波器輸出。（2）軟件設(shè)計(jì) 為單片機(jī)ATmega8的軟件流程圖。其中“AD9832初始化”是對(duì)AD9832寫(xiě)入一些控制字，包括對(duì)SLEEP、RESET、CLR、SYNC、SELSRC控制位的設(shè)置，一旦設(shè)定后，AD9832將保持設(shè)定狀態(tài)不變，直到重新對(duì)這些控制位進(jìn)行設(shè)定。初始化之后開(kāi)始對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行查詢，當(dāng)檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，判斷鍵值，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將結(jié)果顯示在LCD上。當(dāng)檢測(cè)到“確定”鍵被按下后，根據(jù)鍵盤(pán)設(shè)定的工作模式以及相應(yīng)的參數(shù)來(lái)改變控制字，包括頻率、相位控制字的計(jì)算和寫(xiě)入，使用管腳還是使用串行控制位來(lái)選擇頻率、相位寄存器，以及選擇哪個(gè)或哪些寄存器的值等等，然后輸出波形，等待下一次的鍵盤(pán)輸入。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種工作模式：點(diǎn)頻、FSK、PSK。采用25MHz的晶振作為參考時(shí)鐘，可以產(chǎn)生 0～10MHz 頻率和相位都能精確控制的正弦波，頻率分辨率為0.01Hz，相位分辨率為0.1°。結(jié)果顯示，在頻率跳變的過(guò)程中，波形銜接得非常好，中間沒(méi)有控制失調(diào)的過(guò)渡帶出現(xiàn)。此外，在產(chǎn)生PSK信號(hào)的過(guò)程中，相位跳變的瞬時(shí)性和準(zhǔn)確度均很好，可以精確控制相位是DDS的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，也是其它頻率合成手段難以達(dá)到的。來(lái)源：示波器 http://www.kafenchem.com/
直接數(shù)字頻率合成是采用數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)控制相位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率信號(hào)的一種頻率合成方法。DDS的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由相位累加器、正弦ROM/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。
參考時(shí)鐘ｆr由一個(gè)穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生。相位累加器由Ｎ位加法器與Ｎ位相位寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，類似于一個(gè)簡(jiǎn)單的加法器。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與相位寄存器輸出的累積相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至相位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累積滿量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是DDS合成信號(hào)的一個(gè)頻率周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。
在參考時(shí)鐘ｆr的控制下，頻率控制字由累加器累加以得到相應(yīng)的相位數(shù)據(jù)，把此數(shù)據(jù)作為取樣地址，來(lái)尋址正弦ＲＯＭ表進(jìn)行相位－幅度變換，即可在給定的時(shí)間上確定輸出的波形幅值。DAC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)，低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，這樣即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波。
4×4的小鍵盤(pán)用于設(shè)定工作模式、頻率和相位參數(shù)，顯示部分采用16×2的通用點(diǎn)陣字符液晶顯示器。調(diào)制信號(hào)通過(guò)接口電路送入AD9832，然后通過(guò)0～10MHz的低通濾波器輸出。（2）軟件設(shè)計(jì) 為單片機(jī)ATmega8的軟件流程圖。其中“AD9832初始化”是對(duì)AD9832寫(xiě)入一些控制字，包括對(duì)SLEEP、RESET、CLR、SYNC、SELSRC控制位的設(shè)置，一旦設(shè)定后，AD9832將保持設(shè)定狀態(tài)不變，直到重新對(duì)這些控制位進(jìn)行設(shè)定。初始化之后開(kāi)始對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行查詢，當(dāng)檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，判斷鍵值，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將結(jié)果顯示在LCD上。當(dāng)檢測(cè)到“確定”鍵被按下后，根據(jù)鍵盤(pán)設(shè)定的工作模式以及相應(yīng)的參數(shù)來(lái)改變控制字，包括頻率、相位控制字的計(jì)算和寫(xiě)入，使用管腳還是使用串行控制位來(lái)選擇頻率、相位寄存器，以及選擇哪個(gè)或哪些寄存器的值等等，然后輸出波形，等待下一次的鍵盤(pán)輸入。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種工作模式：點(diǎn)頻、FSK、PSK。采用25MHz的晶振作為參考時(shí)鐘，可以產(chǎn)生 0～10MHz 頻率和相位都能精確控制的正弦波，頻率分辨率為0.01Hz，相位分辨率為0.1°。結(jié)果顯示，在頻率跳變的過(guò)程中，波形銜接得非常好，中間沒(méi)有控制失調(diào)的過(guò)渡帶出現(xiàn)。此外，在產(chǎn)生PSK信號(hào)的過(guò)程中，相位跳變的瞬時(shí)性和準(zhǔn)確度均很好，可以精確控制相位是DDS的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，也是其它頻率合成手段難以達(dá)到的。來(lái)源：示波器 http://www.kafenchem.com/
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