2 DDS的基本工作原理
    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(lèi)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(xiàn)性相位累加，當(dāng)相位累加器累積滿(mǎn)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。
    DDS的輸出頻率f0和參考時(shí)鐘fr、相位累加器長(zhǎng)度N以及頻率控制字FSW的關(guān)系為： ; DDS的頻率分辨率為： ；由于DDS的輸出最大頻率受奈奎斯特抽樣定理限制，所以DDS 的最高輸出頻率為fr/2，但在實(shí)際設(shè)計(jì)的DDS系統(tǒng)中，由于輸出濾波器的非理想性，一般輸出信號(hào)的最大頻率只能達(dá)到參考時(shí)鐘頻率fr的40%左右。

3 基于A(yíng)Tmega8的DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

（1）硬件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)采用AD公司的DDS芯片AD9832。AD9832是一塊集成了一個(gè)32位的相位累加器、正弦函數(shù)功能查詢(xún)表和一個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器的CMOS芯片。它的最高時(shí)鐘頻率為25MHz，內(nèi)部包含兩個(gè)32位的頻率寄存器和四個(gè)12位的相位寄存器，可以產(chǎn)生一個(gè)最高頻率為10MHz，頻率和相位都可以編程控制的模擬正弦波，它的頻率分辨率為0.00582Hz，相移可以是(360/4096)°的任意整數(shù)倍，易于實(shí)現(xiàn)靈活的高精度PSK和FSK調(diào)制。
    本系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是控制芯片采用ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)ATmega8，用于控制鍵盤(pán)、顯示和DDS芯片的工作。AVR單片機(jī)由于采用了精簡(jiǎn)指令集RISC結(jié)構(gòu)，因此具有1MIPS/MHz的高速運(yùn)行處理能力。同樣以12MHz的晶振為例，AVR單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期為1/12µs，而普通51單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期則為1µs。因此，使用AVR單片機(jī)來(lái)加載和控制頻率/相位轉(zhuǎn)換時(shí)間極短的DDS芯片，對(duì)于提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速率和性能都是十分有利的。此外，在A(yíng)VR家族中，ATmega8是一種非常特殊的單片機(jī)，它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機(jī)MEGA系列的全部性能和特點(diǎn)，并且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性及靈活性方面都比AT90系列更加周全和完善。而且由于采用了小引腳封裝（為DIP 28和TQFP/MLF32），不僅能夠有效減小硬件系統(tǒng)的體積，而且其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為具有極高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)。
    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(xún)，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)的另一特點(diǎn)是采用以高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言BASIC為手段的AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)：BASCOM-AVR。它是MCS  Electronics公司推出的面向AVR單片機(jī)系列，采用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Windows BASIC的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其特點(diǎn)主要有：程序語(yǔ)句和Microsoft VB/QB高度兼容，為標(biāo)準(zhǔn)的LCD顯示器，I2C芯片和單總線(xiàn)協(xié)議芯片等擴(kuò)充了專(zhuān)用語(yǔ)句，內(nèi)置模擬終端和程序下載功能，內(nèi)置軟件仿真平臺(tái)用于測(cè)試，具有完善的連機(jī)幫助功能和大量的例程。不僅控制靈活方便，而且學(xué)起來(lái)比較簡(jiǎn)單直觀(guān)。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，它最大的特點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)鍵盤(pán)和LCD的控制上。在BASCOM-AVR中，已經(jīng)提供了一個(gè)讀4×4鍵盤(pán)的專(zhuān)用功能函數(shù)(GETKBD)，利用這個(gè)函數(shù)我們就不必從底層編寫(xiě)鍵盤(pán)掃描子程序了，只需調(diào)用該函數(shù)，就能完成按鍵掃描和消抖處理的過(guò)程，返回一個(gè)按鍵的值，非常方便靈活。在LCD的使用上，如果要先編寫(xiě)底層的控制子程序，再編寫(xiě)上層的應(yīng)用程序，需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。但是由于點(diǎn)陣字符液晶顯示器模塊在國(guó)際上已經(jīng)規(guī)范化，因此BASCOM中提供了強(qiáng)大的LCD應(yīng)用的功能語(yǔ)句，在LCD的字符顯示、清屏，光標(biāo)的定位、顯示、閃爍等控制上都有專(zhuān)門(mén)的語(yǔ)句供調(diào)用，只要寫(xiě)上幾條語(yǔ)句，需要顯示的信息就能在LCD上顯示出來(lái)。
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。