基于DDS芯片AD9833的音源發(fā)生器設(shè)計
在2008年浙江省大學(xué)生電子設(shè)計競賽中,有一個題目是“音樂演奏器設(shè)計”,要求用12個鍵盤演奏音樂,其中有一個關(guān)于音階的技術(shù)指標要求頻率誤差小于±0.1%。本題目的關(guān)鍵在于產(chǎn)生一個高精度的音源。一般采用的單片機定時器中斷產(chǎn)生信號的方法勉強能達到這個要求。本題目有一個音階對應(yīng)頻率的附表,描述了各音階對應(yīng)頻率的精確值,如音階6頻率為739.99 Hz,采用51系列單片機定時器中斷方法無法達到該表數(shù)據(jù)所描述頻率精度要求。而采用DDS技術(shù),則能達到這一頻率精度的要求。與采用51單片機定時器產(chǎn)生的信號相比,通過DDS產(chǎn)生的音階信號除了頻率精度高的優(yōu)點外,產(chǎn)生的是正弦波,具有“純”音的特點,聽覺效果較好?;谏鲜鲈颍捎?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/DDS">DDS+MCU是實現(xiàn)音樂演奏器的一種較好設(shè)計方案。其技術(shù)核心為可控的音階的發(fā)生,構(gòu)成一個音源發(fā)生器。本文介紹的音源發(fā)生器可用于鋼琴的校音,具有一定實用價值。
1 音源產(chǎn)生原理
Tierney J和Tader C M等人于1971年首次提出了DDS或DDFS(Direct Digital Frequency Synthesis)的概念,通常將DDS視為第三代頻率合成技術(shù)。DDS突破了以往頻率合成法的原理,從“相位”的概念出發(fā)進行頻率合成。這種方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位。另外,可以采用DDS方法產(chǎn)生任意波形(AWG)。
DDS的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括主頻、同步加法器、頻率字寄存器、ROM、D/A、LPF等。主頻產(chǎn)生主時鐘,同步加法器按照主時鐘進行同步加法運算。同步加法器的一個加數(shù)是存儲于頻率字寄存器中的頻率字,另一個加數(shù)是同步加法器的上次加法運算結(jié)果(和)。同步加法器的加法運算結(jié)果(和)作為ROM的地址,ROM內(nèi)存儲有波形數(shù)據(jù),ROM的數(shù)據(jù)輸出由D/A轉(zhuǎn)換成模擬量,經(jīng)過LPF濾波,輸出ROM內(nèi)存儲的波形。
基本的DDS芯片,主頻fMCLK=1 MHz,頻率字FREQREG=1,同步加法器的位數(shù)為8,則同步加法器相當于進行0~255(0x00~0xFF)的計數(shù)過程,該過程循環(huán)重復(fù),其循環(huán)頻率為fMCLK/256。若ROM存儲有正弦波數(shù)據(jù),則經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和LPF濾波后,輸出頻率為fMCLK/256的正弦波信號;當頻率字FREQREG=2,則同步加法器相當于進行步長為2的0~255(0x00~0xFF)的累加過程,該過程的頻率為2×fMCLK/256,也就是輸出頻率為2×fMCLK/256的正弦波信號。
由此類推,基本型DDS芯片的輸出頻率為:
f0=fMCLK/28×FREQREG
對于基本型DDS芯片,一般,主頻fMCLK通過晶體振蕩電路產(chǎn)生,相對固定,因此DDS的輸出頻率取決于頻率字,頻率字一般通過串行或并行接口進行設(shè)置。
DDS芯片的輸出頻率的變化間隔(分辨率)為fMCLK/28(當同步加法器的位數(shù)是8時)。輸出頻率的穩(wěn)定度主要取決于晶體振蕩的穩(wěn)定度,輸出波形則取決于ROM中的波形數(shù)據(jù),根據(jù)奈奎斯特定理,最高輸出頻率小于fMCLK/2。
由于同步加法器結(jié)果是改變輸出波形的相位,在有關(guān)DDS芯片的資料中[1],該同步加法器通常稱為相位累加器。
實際應(yīng)用時,DDS的結(jié)構(gòu)會復(fù)雜得多,同步加法器的位數(shù)遠大于8,加入相位加法器,ROM、D/A數(shù)據(jù)寬度在10位以上,主頻也會較高。因此通常采用專用芯片,也有少量采用FPGA來實現(xiàn)的(特別當需要實現(xiàn)AWG時)。
Qualcomm公司、ADI公司等推出一系列DDS專用芯片。比較典型的有AD9850、AD9851、AD9852、AD9853、AD9833等。當前的信號發(fā)生器廣泛使用DDS專用芯片作為電路核心[1]。歷年的大學(xué)生電子競賽均有涉及DDS芯片應(yīng)用的題目。
AD9833是ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器,能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波輸出,輸出頻率和相位都可通過軟件編程,調(diào)節(jié)比較方便。采用28位的頻率寄存器,當主頻時鐘為25 MHz時,頻率分辨率為0.1 Hz;主頻時鐘為1 MHz時,頻率分辨率可以達到0.004 Hz[2]。
AD9833采用10個引腳的MSOP封裝形式,采用SPI接口進行控制寄存器和頻率寄存器的設(shè)置,功能簡潔,使用方便,故選用AD9833芯片作為音階頻率發(fā)生器。AD9833芯片的引腳圖如圖2所示。
在主頻合適的條件下,通過SPI接口設(shè)置頻率寄存器和控制寄存器,即能得到理想的信號輸出。其輸出頻率為:
2 硬件設(shè)計
AD9833芯片有3根串行接口線,與SPI、QSPI、MI-CROWIRE和DSP接口標準兼容,在串口時鐘SCLK的作用下,數(shù)據(jù)以16位的方式加載到設(shè)備上,其時序圖如圖3所示,F(xiàn)SYNC引腳是使能引腳,電平觸發(fā)方式,低電平有效。進行串行數(shù)據(jù)傳輸時,F(xiàn)SYNC引腳必須置低。
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