基于AVR单片机的高精度频率调节器

1 引言

在现代化工业生产与高精度测试中，我们需要相当精确的频率来帮助判断设备性能指标。而且我们希望能够微调该频率。采用压控振荡器得到的频率不够精确，微调频率步骤烦琐，耗时漫长，因此有些测试项目限制了压控振荡器的使用。

Mega系列单片机是Atmel公司于2002年起陆续推出的。这款AVR增强型单片机具有速度快，抗干扰能力强，价格低廉等诸多优点。为了加快AVR单片机的软件编制，Atmel以及第三方提供的开发工具多种多样，程序开发方便有效。该单片机内部FLASH结构功能灵活，加锁后很难解密，可以最大限度地保护知识产权。AVR单片机可以广泛应用于通信、野外测试、汽车电子、医疗器械等领域，并且适用于各种低电压、低功耗的场合。

本文提出一种方法能够基于AVR单片机，采用AD9850提供精确到 1Hz的频率信号，不但可以发生正弦波，也可以发生方波，从而为要求频率精度高的企业解决了难题。它以Atmel公司的AVR单片机Atmega16L作为核心，能够方便、准确地控制输出频率。由于AVR单片机实现了在线可编程，所以大大简化了设计步骤，加快了设计进程，同时不会烧毁、烧费芯片，节约了成本。

图1给出了该频率调节器的整体设计框图。用户通过4×4键盘设定频率值，AVR单片机使用I/O端口，扫描读入频率值。随后AVR单片机控制AD9850调节到用户要求的频率。AD9850的输出可以接电压比较器整形为方波，也可以经过低通滤波器限制带宽，输出正弦波形。AVR单片机同时控制液晶显示模块，使之实时显示当前频率。

图1.频率调节器整体框图

2 控制核心与频率发生技术

2.1 控制核心

本设计采用了Atmel公司的AVR单片机Atmega16L作为控制核心。AVR单片机的单周期指令能够保证高的执行效率和低成本，是精简指令集CPU中的高性能器件。AVR单片机可以提供高达16MIPS的执行时间，具有128K字节的可编程Flash存储器，同时具备4096字节的静态RAM。AVR单片机自带看门狗定时器，在强烈的电磁干扰条件下可以防止程序跑飞。本设计中采用的Atmega16L还具有以下特点：

l内部包含有硬件乘法器，加快乘法运算速度；I/O端口引脚数多达32根；

l支持在线可编程功能，不需要频繁从电路板插拔芯片；带有可编程的支持同步传输的UART端口；

l支持三线传输SPI端口；具有方便的I2C总线端口，直接与Philips芯片接驳；

l支持JTAG边界扫描电路；具有BOD低电压检测功能；

l内部有8路10位的A/D变换器；具有4个PMW，可以协同或单独工作；

l内部带有实时时钟电路；工作频率最高可达16MHz。

2.2 AD9850频率发生技术

AD9850是AD公司推出的低功耗直接数字频率合成器芯片，可以产生从直流到62.5MHz的宽频率信号，从投入市场到今天已经应用在雷达系统、低功耗频率源中。它良好的频率合成功能适合于应用在高精度测试中。本设计采用了AD9850作为波形发生器，具有体积小，功耗低的优点。

在控制流程中，AVR单片机为AD9850计算了频率控制字，并且将频率控制字写入其中。联合小键盘上的“+1Hz”键和“-1Hz”键，本设计使得频率可以精确到步长为1Hz的调节。它可以产生方波和正弦波。用户要求产生正弦波时，我们设计了低通滤波器用来滤除信号的高频分量。该低通滤波器还可以使用五阶椭圆滤波器实现。图2示出了本系统的AD9850电路设计图。PC2——PC5可以同时作为I2C总线端口。

  

图2AD9850电路设计

3 输入设备与输出设备

3.1 键盘输入设备与相应软件

本设计采用了4×4键盘作为频率输入设备。由于按键个数少，只有16个，需要表示从1Hz— ;10MHz的广泛频率，故在软件设计中采用了AVR单片机扫描方式。将端口A的8根I/O引脚全部作为扫描键盘使用。键盘定义除了0——9共10个数字之外，还定义了“退格”键、“全删”键、“输入”键、“+1Hz”键和“-1Hz”键，这样就可以极大地方便用户随时修改频率和微调频率。读入用户输入的频率值时，采用了延时防抖抗干扰的软件程序。扫描变量的初始值设置为0xFE，以低电平0依次变化实现扫描。本单片机键盘扫描的C代码如下所示：

sccode=0xFE;/*everyscaninitiativevalue,11111110*/
while(sccode!=0xEF)/*sccodeisnot11101111,follow;orreturn0*/
{
PORTA=sccode;/*sendscancode11111110toportA*/
PORTA=sccode;/*sendscancode11111110toportA*/
if((PINA&0xF0)!=0xF0)/*readportA,ifhigh4bitsarenot1111,keypressedinthisline*/
{
recode=(PINA&0xF0)|0x0F;/*portAhigh4bitsreserved,low4bitsare 1111*/
while((PINA&0xF0)!=0xF0)
{};
/*readportA,ifportAhigh4bitsarenot1111,key ;pressed,
ifkeypressed,wemustwait,waitforkeyreleased*/
return((~sccode)+(~recode));/*returnrow+column*/
}
else
{
sccode=(sccode<<1)|0x01;
/*scancodeleftshift1bit,add1toright,11111101*/
}
}

最终返回的扫描结果包括按键所在的行值和列值。判断步骤是：先将端口A的高4比特记录在扫描变量recode中，低4比特置为1111。再次读入端口A的高4比特，由此判断按键是否松开。用户还未松开按键时，高4比特当中有低电平0存在，此时只能循环等待。只有当用户松开按键之后，才将高4比特与低4比特进行按位反操作，并复合形成最终返回的扫描结果。如果没有检测到有按键按下，则将扫描变量sccode向左移位1比特，继续进行下一次扫描。