基于AVR的DDS数字可调共振源的设计

    共振现象[1]是自然界最普遍存在的物理现象之一,随着共振原理的揭示,共振在生产实践和科研领域中迅速得到了广泛地应用。在大学物理实验中,共振实验也是一项重要实验组成部分,如力学机械弹簧共振实验、声学的昆特管实验、光学的相干波的干涉实验、电磁场的互感谐振实验等,其中都涉及到共振源本身的设计。在各种共振实验中,都需要一个高稳定、高精度、输出信号频率连续可调且强度足够大的共振源,然而目前的实验平台多采用模拟元件构成和手动机械式调节,原理多是锁相环频率合成的方法,存在着产生的信号频率精度低,频率可调节范围小,调节反应慢等缺点,严重影响了共振源的普遍使用。

    为实现共振源信号的高精度、频率连续可调,可采用直接数字合成(DDS)技术。直接数字合成是从相位量化概念出发直接合成所需波形,通过控制频率控制字,利用高速存储器作查寻表的方式,直接产生所需的各种不同频率信号。本文利用高速AVR单片机ATMEGA88作为控制核心,以DDS芯片作为信号发生模块,构建了一个具有成本低、功耗低、分辨率高、频率变换快的共振源信号发生器。

    1 系统结构组成

    根据系统的性能要求,共振源系统主要由PC上位机控制模块、中央控制模块、信号发生模块、信号滤波放大电路模块、显示及键盘控制模块、外围实验装置等六部分组成。图1为该系统框图。

    图1中以高速AVR单片机MEGA88为主控芯片,通过按键设置输出频率,频率值实时显示在LCD屏上,并控制DDS芯片AD9850合成相应的信号。该信号经过滤波放大模块将信号的功率放大后输出到外围的振动装置上。同时,振动源可以通过RS232与计算机相连, PC机在软件中设置输出信号频率。

    2 系统硬件设计

    2. 1 中央控制模块

    采用ATmega88作为中央控制芯片。ATmega88是基于AVR增强型RISC(精简指令集)结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega88的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。工作电压可以在2. 7 V~6. 0 V之间,能够实现耗电最优化[2]。AVR结构单片机能采用C语言进行编程,这样大大提高了代码的使用效率,能够高效地开发出目标产品。在计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器、宇航设备等各个领域有着广泛地应用。

    本文将ATmega88的PB口与AD9850的8位并行数据接收端口相连,用于单片机向AD9850传送数据,另外,PC0、PC1、PC2分别与W_CLK、FQ_UD、CLKIN相连作为控制总线,用于控制AD9850的工作。具体控制连接见图2.