张巧龙

2021年电赛 | 手把手带你玩转DDS

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‍摘要：原定于7月28日才发布的器件清单，提前2天在26号就发布了。感觉大家现在应该猜题预测，与其猜题，不如静下心来做题。盲目猜题是没有必要的，熟悉相关器件倒尤为重要。不要到处去水群聊天，听风就是雨，题目要是能被猜中了，那只能说题目出的很差，都能被我们猜到。

既然猜不到，那就别浪费时间，相反，把这些时间好好利用起来，把手上的事情继续完成，把该买的元器件买好，买晚了就贵了。买回来之后每个组件尽可能的去熟悉使用，准备好相关程序。

1、电赛清单

其实国赛年的电赛仪器设备和主要元器件清单基本都差不多，只有很小的改动。2019年国赛年同样有DDS模块，今年照样有DDS模块。

2、什么是DDS

DDS直接数字式频率综合器 DDS(Direct Digital Synthesizer)，实际上是一种分频器：通过编程频率控制字来分频系统时钟(SYSTEM CLOCK)以产生所需要的频率。DDS有两个突出的特点，一方面，DDS工作在数字域，一旦更新频率控制字，输出的频率就相应改变，其跳频速率高；另一方面，由于频率控制字的宽度宽（48bit 或者更高），频率分辨率高。说人话：可以把他理解为一个信号源即信号发生器。

高配版DDS模块

电赛肯定不会让你自己搞这样的仪器做信号源，用你的DDS代替它。

3、DDS工作原理

DDS主要分成3 部分：相位累加器，相位幅度转换，数模转换器(DAC)。

相位累加器

一个正弦波，虽然它的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增加的。DDS 正是利用了这一特点来产生正弦信号。根据DDS的频率控制字的位数N，把 360° 平均分成了2的N次方等份。

相位幅度转换

通过相位累加器，我们已经得到了合成Fout 频率所对应的相位信息，然后相位幅度转换器把 0°~360°的相位转换成相应相位的幅度值。比如当DDS选择为2Vp-p的输出时，45°对应的幅度值为 0.707V，这个数值以二进制的形式被送入DAC。这个相位到幅度的转换是通过查表完成的。

DAC输出

代表幅度的二进制数字信号被送入DAC中，并转换成为模拟信号输出。DAC的位数并不影响输出频率的分辨率。输出频率的分辨率是由频率控制字的位数决定的。

4、怎么做出一个DDS

注意电赛清单说的是：DDS芯片或模块。也就是意味着你可以买芯片自己设计电路板，也可以自己买DDS模块。如果你有能力当然是直接买芯片自己画板子，这样你做出来的DDS肯定你那些直接买DDS模块的同学更有优势。当然如果你觉得难度比较大还是买一个DDS模块吧！

聪明如我

如何选择DDS

怎么选择具体的哪一款DDS芯片还是要看你自己的预算和你的需求。今天主要讲的DDS模块是安富莱家的AD9833这一款DDS模块。至于为啥选择一款，因为19年电赛购买过这一款，价格也还便宜，电路和编程相对来说还是比较简单的。强调一点这不是打广告啊！

5、AD9833简介

AD9833是ADI公司生产的一款低功耗，可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波、方波输出。波形发生器广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域，AD9833无需外接元件，输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节，频率寄存器是28位的，主频时钟为25MHz时，精度为0.1Hz，主频时钟为1MHz时，精度可以达到0.004Hz。

可以通过3个串行接口将数据写入AD983，这3个串口的最高工作频率可以达到40MHz，易于与DSP和各种主流微控制器兼容。AD9833的工作电压范围为2.3V-5.5V。

AD9833还具有休眠功能，可使没被使用的部分休眠，减少该部分的电流损耗，例如，若利用AD9833输岀作为时钟源，就可以让DAC休眠，以减小功耗，该电路采用10引脚MSOP型表面贴片封装，体积很小。

AD9833特点

频率和相位可数字编程
工作电压为3V时，功耗仅为20mW
输出频率范围为OHz-12.5MHz
频率寄存器为28位(在25Mz的参考时钟下，精度为0.1Hz)
可选择正弦波、三角波、方波输出
无需外界元件
3线SPI接口
温度范围为-40℃-+105℃

总结一下就是：这个模块与单片机之间是通过SPI通信的方式，通过对芯片内部寄存器的操作可以调节模块的数据频率和相位。可输出的频率范围是0—12.5MHZ。可以输出正弦波、三角波和方波。

AD9833模块电路图

波形发生电路

运算放大输出电路

为了使大家比较好理解，我直接截取的成品模块原理图。

可以看到AD9833是一块完全集成的DDS，仅需要1个外部参考时钟、1个低精度电阻器和一个解耦电容器就能产生高达12.5Mz的正弦波。AD933的核心是28位的相位累加器，它由加法器和相位寄存器组成，每来1个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输岀与相位控制字相加后输入到正弦査询表地址中。正弦査询表包含1个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0°-360°范围内的1个相位点。

下面这张图来自AD9833的数据手册，可以看到每个引脚的功能说明都非常详细，再配合上图的电路原理图就可以一目了然了！

管脚功能描述

接下来就是单片机如何与芯片的引脚相连，以及如何写驱动代码了。

6、AD9833驱动代码

一般你在网上买到模块后，卖家一都会送你实例代码，可能实例代码与你所用的单片机型号不同。但是大致的思路框架是一样的，下面就以安富莱家的AD9833代码为例。

说明：他家的平台是STM32F407，也许你用的F103系列或者MSP430，但是驱动代码都是的。你完全可以把驱动代码的.c和.h文件导入到你的项目中即可。

功能描述

AD9833有3根串行接口线，与SPI、QSPI、DSP接口标准兼容，在串口时钟SCLK的作用下，数据是以16位的方式加载到设备上，FSYNC引脚是片选使能引脚，电平触发方式，低电平有效。进行串行数据传输时，FSYNC引脚必须置低，要注意 FSYNC有效到SCLK下降沿的建立时间的最小值。FSYNC置低后，在16个SCLK的下降沿数据被送到AD9833的输入移位寄存器，在第16个SCLK的下降沿FSYNC可以被置高，但要注意在SCLK下降沿到FSYC上升沿的数据保持时间的最小和最大值。当然，也可以在 FSYNC为低电平的时候，连续加载多个16位数据，仅在最后一个数据的第16个SCLK的下降沿的时将 FSYNC置高，最后要注意的是，写数据时SCLK时钟为高低电平脉冲，但是，在 FSYNC刚开始变为低时，(即将开始写数据时)，SCLK必须为高电平(注意t11这个参数)。

当AD9833初始化时，为了避免DAC产生虚假输出，RESET必须置为1（RESET不会复位频率、相位和控制寄存器），直到配置完毕，需要输出时才将 RESET置为0；RESET为0后的8-9个MCLK时钟周期可在DAC的输出端观察到波形。

AD9833写入数据到输出端得到响应，中间有一定的响应时间，每次给频率或相位寄存器加载新的数据，都会有7-8个MCIK时钟周期的延时之后，输出端的波形才会产生改变，有1个MCLK时钟周期的不确定性，因为数据加载到目的寄存器时，MCLK的上升沿位置不确定。

既然模块要与单片机相连那肯定首先要确定使用那几个引脚，因为他们之间是通过3线的SPI方式通信的。

初始化GPIO

* 定义GPIO端口 */
#define RCC_SCLK  RCC_AHB1Periph_GPIOB
#define PORT_SCLK GPIOB
#define PIN_SCLK GPIO_Pin_3

#define RCC_SDATA  RCC_AHB1Periph_GPIOB
#define PORT_SDATA GPIOB
#define PIN_SDATA GPIO_Pin_5

/* 片选 */
#define RCC_FSYNC  RCC_AHB1Periph_GPIOF
#define PORT_FSYNC GPIOF
#define PIN_FSYNC GPIO_Pin_7

/* 定义口线置0和置1的宏 */
#define FSYNC_0() PORT_FSYNC->BSRRH = PIN_FSYNC
#define FSYNC_1() PORT_FSYNC->BSRRL = PIN_FSYNC

#define SCLK_0() PORT_SCLK->BSRRH = PIN_SCLK
#define SCLK_1() PORT_SCLK->BSRRL = PIN_SCLK

#define SDATA_0()  PORT_SDATA->BSRRH = PIN_SDATA
#define SDATA_1()  PORT_SDATA->BSRRL = PIN_SDATA

void bsp_InitAD9833(void)
{
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

 FSYNC_1(); /* FSYNC = 1 */

 /* 打开GPIO时钟 */
 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_SCLK | RCC_SDATA | RCC_FSYNC, ENABLE);

 /* 配置几个推挽输出IO */
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;  /* 设为输出口 */
 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;  /* 设为推挽模式 */
 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; /* 上下拉电阻不使能 */
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_25MHz; /* IO口最大速度 */

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PIN_SCLK;
 GPIO_Init(PORT_SCLK, &GPIO_InitStructure);

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PIN_SDATA;
 GPIO_Init(PORT_SDATA, &GPIO_InitStructure);

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PIN_FSYNC;
 GPIO_Init(PORT_FSYNC, &GPIO_InitStructure);
}

这几句话大家应该不陌生，首先是使用宏定义来定义使用的GPIO口的时钟、端口和输出的高低电平，然后就是最基本的初始化相关的GPIO口了，这里使用的是PB3、PB5、PF3作为控制引脚，你需要根据你的MCU选择合适的引脚进行控制。

写数据

/*
********************************************************
* 函 数 名: AD9833_Write_16Bits      
* 功能说明: 向SPI总线发送16个bit数据   发送控制字
* 形    参: _cmd : 数据
* 返 回 值: 无
*******************************************************
*/
void AD9833_Write_16Bits(uint16_t _cmd)
{
 uint8_t i;
 SCLK_1(); //在时钟上升沿下操作
 FSYNC_0(); //片选打开
 /* AD9833  SCLK时钟高达40M，因此可以不延迟 */
 for(i = 0; i < 16; i++)
 {
  if (_cmd & 0x8000)
  {
   SDATA_1();
  }
  else
  {
   SDATA_0();
  }
  SCLK_0();
  _cmd <<= 1;
  SCLK_1();
 } 
 FSYNC_1();//片选关闭
}

FSYNC置低后，在16个SCLK的下降沿数据被送到AD9833的输入移位寄存器，采用for循环将数据发送出去。

选择输出波形

void AD9833_SelectWave(uint8_t _Type) 
{
 FSYNC_1();  //宏定义
 SCLK_1();
 if(_Type == 0)
 {
  AD9833_Write_16Bits(0x2028); /*频率寄存器输出方波*/
 }
 else if(_Type == 1)
 {
  AD9833_Write_16Bits(0x2002); /*频率寄存器输出三角波*/
 }
 else if(_Type == 2)
 {
  AD9833_Write_16Bits(0x2000); /*频率寄存器输出正弦波*/
 }
 else if(_Type == 3)
 {
  AD9833_Write_16Bits(0x00C0); /*无输出*/
 }
}

这里根据输入的形参来选择输出的波形，至于这里为什么写0x2002就输出三角波，写0x2000就输出正弦波，那就要看芯片的数据手册对于寄存器这一张章节的说明了。

芯片手册第九页

芯片手册第十页

看起来是不是感觉无从下手，但是我们不需要了解这些，因为具体要输出哪种波形配置什么样的参数已经告诉你了，直接用就可以。

设置频率值

接下来就是编写配置输出各种频率的函数了，具体操作如下：

void AD9833_SetFreq(uint32_t _freq)
{
 uint32_t freq;
 uint16_t lsb_14bit;
 uint16_t msb_14bit;
 uint8_t freq_number = 0;
 freq = (uint32_t)(268435456.0 / AD9833_SYSTEM_CLOCK * _freq);
 lsb_14bit = (uint16_t)freq;
 msb_14bit = (uint16_t)(freq >> 14);
 if(freq_number == FREQ_0)
 {
  lsb_14bit &= ~(1U<<15);//0111 1111 1111 1111 先把第15位清0,其他位不变
  lsb_14bit |= 1<<14;    //0100 0000 0000 0000 再把第14位置1,其他位不变 结果就是01xx xxxx xxxx xxxx
  msb_14bit &= ~(1U<<15); //同上
  msb_14bit |= 1<<14;
 }
 else
 {
  lsb_14bit &= ~(1<<14); //1011 1111 1111 1111 先把第14位清0,其他位不变
  lsb_14bit |= 1U<<15;   //1000 0000 0000 0000 再把第15位置1,其他位不变 结果就是10xx xxxx xxxx xxxx
  msb_14bit &= ~(1<<14); //同上
  msb_14bit |= 1U<<15;
 }
 AD9833_Write_16Bits(lsb_14bit);
 AD9833_Write_16Bits(msb_14bit);
}

这里面有一句关键的代码就是freq = (uint32_t)(268435456.0/AD9833_SYSTEM_CLOCK * _freq);结合芯片的数据手册知道。另外这里面用到了寄存器操作的置位和清0操作。如果对寄存器操作比较熟悉得小伙伴一眼就能看出来，这里就不过多解释了。

lsb_14bit &= ~(1U<<15);//0111 1111 1111 1111 先把第15位清0,其他位不变
lsb_14bit |= 1<<14;    //0100 0000 0000 0000 再把第14位置1,其他位不变 结果就是01xx xxxx xxxx xxxx

计算公式

到这里底层驱动函数已经基本完成了，接下来就是写main函数了。在主函数中我们可以增加几个按键进行调频操作。

int main(void)
{
 uint8_t ucKeyCode;
 uint8_t ucChange;
 uint32_t freq;
 bsp_Init();//先初始化各种外设，自己写
 freq = 100000;
 AD9833_SetFreq(freq);   /*频率freq单位HZ*/
 ucChange = 1;
 while (1)
 {

  if (ucChange == 1)
  {
   ucChange = 0;
   AD9833_SetFreq(freq); /*设置频率值  */   
   /* 打印当前的频率值 */
   if (freq < 1000)
   {
    printf("freq =%8dHz\r", freq); 
   }
   else if (freq >= 1000 && freq < 1000000)
   {
    printf("freq =%3d.%03dKHz\r", freq / 1000, (freq % 1000) ); 
   }
   else if (freq >= 1000000)
   {
    printf("freq =%3d.%03d %03d %dMHz\r", freq / 1000000, (freq % 100000) / 1000,
      ((freq % 1000000) / 1000) / 100,  freq % 10) ; 
   }   
  }
  /* 按键滤波和检测由后台systick中断服务程序实现，我们只需要调用bsp_GetKey读取键值即可。 */
  ucKeyCode = bsp_GetKey(); /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */
  if (ucKeyCode != KEY_NONE)
  {
   switch (ucKeyCode)
   {
    case KEY_DOWN_K1:   /* K1键按下,输出方波 */
     AD9833_SelectWave(0); 
     ucChange = 1;
     break;     
    case KEY_DOWN_K2:   /* K2键按下，输出三角波 */ 
     AD9833_SelectWave(1);
        ucChange = 1;
     break;
    case KEY_DOWN_K3:   /* K3键按下，输出正弦波 */
     AD9833_SelectWave(2);
        ucChange = 1;
     break;    
    case KEY_DOWN_K4:   /*  K4键按下 */
     if (freq >= 1000000) /* 1MHz 以上 */
     {
      if (freq < 25000000)
      {
       freq += 1000000;
       ucChange = 1;
      }
     }
     else if (freq > 1000)  /* 1KHz 以上 */
     {
      freq += 1000;
      ucChange = 1;
     }
     else if (freq > 100)  /* 100Hz 以上 */
     {
      freq += 100;
      ucChange = 1;
     }
     else
     {
      freq += 1;
      ucChange = 1;
     }     
     break;
    case KEY_DOWN_K5:   /*  K5键按下 */
     if (freq >= 1000000) /* 1MHz 以上 */
     {
      freq -= 1000000;
      ucChange = 1;
     }
     else if (freq > 1000)  /* 1KHz 以上 */
     {
      freq -= 1000;
      ucChange = 1;
     }
     else if (freq > 100)  /* 100Hz 以上 */
     {
      freq -= 100;
      ucChange = 1;
     }
     else if (freq > 0)       /*(0,100HZ)*/
     {
      freq -= 1;
      ucChange = 1;
     }
     break;
    case KEY_DOWN_K6:   /*  K6键按下*/
     if (freq > 1000)
     {
      freq -= 100;
      ucChange = 1;
     }
     else if (freq > 100)  /* 100Hz 以上 */
     {
      freq -= 10;
      ucChange = 1;
     }
     else if (freq > 0)       /*(0,100HZ)*/
     {
      freq -= 1;
      ucChange = 1;
     }     
     break;
    case KEY_DOWN_K7:   /*  K7键按下 */
     if (freq > 1000)  /*1KHZ以上*/
     {
      freq += 100;
      ucChange = 1;
     }
     else if (freq > 100)  /* 100Hz 以上 */
     {
      freq += 10;
      ucChange = 1;
     }
     else if (freq > 0)       /*(0,100HZ)*/
     {
      freq += 1;
      ucChange = 1;
     }
     break;

    case KEY_DOWN_K8:   /*  K8键按下 */
     AD9833_SelectWave(3);
     ucChange = 1;
     break;
    default:
     /* 其它的键值不处理 */   
     break;
   }
  }
 }
}

这里面的逻辑就很简单了，按下对应的按键执行相应的操作，按键的个数与步进值可以根据自己的情况自己改写。

7、DDS在线工具

最后给大家推荐一个帮助理解和用好DDS的一个在线工具—simDDS。

通过这个工具，你可以根据自己要实现的指标，来确定需要的滤波器的阶数，然后借助滤波器的设计工具、仿真软件就可以设计出满足你系统系统要求的模拟电路部分。

利用DAC的镜像，可以实现通信中的上变频功能，从而省去了本振、上变频、滤波器等复杂的模拟电路。比如你要产生一个150MHz载频的FM信号，可以使用160MHz的主时钟，产生一个10MHz的FM信号，自然就会通过DAC镜像得到一个150MHz和一个170MHz的FM信号，在150MHz处加一个带通滤波器就可以得到你需要的FM信号。电路将变得非常简单。利用这个方法，可以获得更高频率的调制信号。

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