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)，通過控制相位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率信號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。
    參考時鐘ｆr由一個穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生。相位累加器由Ｎ位加法器與Ｎ位相位寄存器級聯(lián)構(gòu)成，類似于一個簡單的加法器。每來一個時鐘脈沖，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時鐘作用后所產(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時鐘的作用下繼續(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就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。
    在參考時鐘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，來尋址正弦ＲＯＭ表進(jìn)行相位－幅度變換，即可在給定的時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，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和參考時鐘fr、相位累加器長度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)計的DDS系統(tǒng)中，由于輸出濾波器的非理想性，一般輸出信號的最大頻率只能達(dá)到參考時鐘頻率fr的40%左右。

3 基于ATmega8的DDS信號發(fā)生器設(shè)計

（1）硬件設(shè)計

    本系統(tǒng)采用AD公司的DDS芯片AD9832。AD9832是一塊集成了一個32位的相位累加器、正弦函數(shù)功能查詢表和一個10位D/A轉(zhuǎn)換器的CMOS芯片。它的最高時鐘頻率為25MHz，內(nèi)部包含兩個32位的頻率寄存器和四個12位的相位寄存器，可以產(chǎn)生一個最高頻率為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、顯示和DDS芯片的工作。AVR單片機(jī)由于采用了精簡指令集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)的一個機(jī)器周期為1/12µs，而普通51單片機(jī)的一個機(jī)器周期則為1µs。因此，使用AVR單片機(jī)來加載和控制頻率/相位轉(zhuǎn)換時間極短的DDS芯片，對于提高整個系統(tǒng)的運(yùn)行速率和性能都是十分有利的。此外，在AVR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，而且其價格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為具有極高性價比的單片機(jī)。
    4×4的小鍵盤用于設(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)制信號通過接口電路送入AD9832，然后通過0～10MHz的低通濾波器輸出。

（2）軟件設(shè)計

  為單片機(jī)ATmega8的軟件流程圖。其中“AD9832初始化”是對AD9832寫入一些控制字，包括對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，直到重新對這些控制位進(jìn)行設(shè)定。初始化之后開始對鍵盤進(jìn)行查詢，當(dāng)檢測到有鍵按下時，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)檢測到“確定”鍵被按下后，根據(jù)鍵盤設(shè)定的工作模式以及相應(yīng)的參數(shù)來改變控制字，包括頻率、相位控制字的計算和寫入，使用管腳還是使用串行控制位來選擇頻率、相位寄存器，以及選擇哪個或哪些寄存器的值等等，然后輸出波形，等待下一次的鍵盤輸入。
本系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是采用以高級程序設(shè)計語言BASIC為手段的AVR單片機(jī)開發(fā)平臺：BASCOM-AVR。它是MCS  Electronics公司推出的面向AVR單片機(jī)系列，采用高級程序設(shè)計語言Windows BASIC的軟件開發(fā)平臺。其特點(diǎn)主要有：程序語句和Microsoft VB/QB高度兼容，為標(biāo)準(zhǔn)的LCD顯示器，I2C芯片和單總線協(xié)議芯片等擴(kuò)充了專用語句，內(nèi)置模擬終端和程序下載功能，內(nèi)置軟件仿真平臺用于測試，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)起來比較簡單直觀。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，它最大的特點(diǎn)體現(xiàn)在對鍵盤和LCD的控制上。在BASCOM-AVR中，已經(jīng)提供了一個讀4×4鍵盤的專用功能函數(shù)(GETKBD)，利用這個函數(shù)我們就不必從底層編寫鍵盤掃描子程序了，只需調(diào)用該函數(shù)，就能完成按鍵掃描和消抖處理的過程，返回一個按鍵的值，非常方便靈活。在LCD的使用上，如果要先編寫底層的控制子程序，再編寫上層的應(yīng)用程序，需要花費(fèi)較長的時間。但是由于點(diǎn)陣字符液晶顯示器模塊在國際上已經(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門的語句供調(diào)用，只要寫上幾條語句，需要顯示的信息就能在LCD上顯示出來。
本系統(tǒng)設(shè)計了三種工作模式：點(diǎn)頻、FSK、PSK。采用25MHz的晶振作為參考時鐘，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，在頻率跳變的過程中，波形銜接得非常好，中間沒有控制失調(diào)的過渡帶出現(xiàn)。此外，在產(chǎn)生PSK信號的過程中，相位跳變的瞬時性和準(zhǔn)確度均很好，可以精確控制相位是DDS的一個突出優(yōu)點(diǎn)，也是其它頻率合成手段難以達(dá)到的。