基于AVR單片機的高精度頻率調(diào)節(jié)器設計

1 引言

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與高精度測試中，我們需要相當精確的頻率來幫助判斷設備性能指標。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，耗時漫長，因此有些測試項目限制了壓控振蕩器的使用。

Mega系列單片機是Atmel公司于2002年起陸續(xù)推出的。這款AVR增強型單片機具有速度快，抗干擾能力強，價格低廉等諸多優(yōu)點。為了加快AVR單片機的軟件編制，Atmel以及第三方提供的開發(fā)工具多種多樣，程序開發(fā)方便有效。該單片機內(nèi)部FLASH結構功能靈活，加鎖后很難解密，可以最大限度地保護知識產(chǎn)權。AVR單片機可以廣泛應用于通信、野外測試、汽車電子、醫(yī)療器械等領域，并且適用于各種低電壓、低功耗的場合。

本文提出一種方法能夠基于AVR單片機，采用AD9850提供精確到1Hz的頻率信號，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Atmega16L作為核心，能夠方便、準確地控制輸出頻率。由于AVR單片機實現(xiàn)了在線可編程，所以大大簡化了設計步驟，加快了設計進程，同時不會燒毀、燒費芯片，節(jié)約了成本。

圖1給出了該頻率調(diào)節(jié)器的整體設計框圖。用戶通過4×4鍵盤設定頻率值，AVR單片機使用I/O端口，掃描讀入頻率值。隨后AVR單片機控制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)過低通濾波器限制帶寬，輸出正弦波形。AVR單片機同時控制液晶顯示模塊，使之實時顯示當前頻率。

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

2.1 控制核心

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

· 內(nèi)部包含有硬件乘法器，加快乘法運算速度；I/O端口引腳數(shù)多達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低電壓檢測功能；

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

· 內(nèi)部帶有實時時鐘電路；工作頻率最高可達16MHz。

2.2 AD9850頻率發(fā)生技術

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，從投入市場到今天已經(jīng)應用在雷達系統(tǒng)、低功耗頻率源中。它良好的頻率合成功能適合于應用在高精度測試中。本設計采用了AD9850作為波形發(fā)生器，具有體積小，功耗低的優(yōu)點。

在控制流程中，AVR單片機為AD9850計算了頻率控制字，并且將頻率控制字寫入其中。聯(lián)合小鍵盤上的“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，本設計使得頻率可以精確到步長為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，我們設計了低通濾波器用來濾除信號的高頻分量。該低通濾波器還可以使用五階橢圓濾波器實現(xiàn)。圖2示出了本系統(tǒng)的AD9850電路設計圖。PC2——PC5可以同時作為I2C總線端口。

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圖2 AD9850電路設計