基于DDS芯片AD9833的音源发生器设计

在2008年浙江省大学生电子设计竞赛中，有一个题目是“音乐演奏器设计”，要求用12个键盘演奏音乐，其中有一个关于音阶的技术指标要求频率误差小于±0.1%。本题目的关键在于产生一个高精度的音源。一般采用的单片机定时器中断产生信号的方法勉强能达到这个要求。本题目有一个音阶对应频率的附表，描述了各音阶对应频率的精确值，如音阶6频率为739.99 Hz，采用51系列单片机定时器中断方法无法达到该表数据所描述频率精度要求。而采用DDS技术，则能达到这一频率精度的要求。与采用51单片机定时器产生的信号相比，通过DDS产生的音阶信号除了频率精度高的优点外，产生的是正弦波，具有“纯”音的特点，听觉效果较好。基于上述原因，采用DDS+MCU是实现音乐演奏器的一种较好设计方案。其技术核心为可控的音阶的发生，构成一个音源发生器。本文介绍的音源发生器可用于钢琴的校音，具有一定实用价值。
1 音源产生原理
　　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，通常将DDS视为第三代频率合成技术。DDS突破了以往频率合成法的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。另外，可以采用DDS方法产生任意波形(AWG)。
DDS的基本结构如图1所示，包括主频、同步加法器、频率字寄存器、ROM、D/A、工字电感LPF等。主频产生主时钟，同步加法器按照主时钟进行同步加法运算。同步加法器的一个加数是存储于频率字寄存器中的频率字，另一个加数是同步加法器的上次加法运算结果(和)。同步加法器的加法运算结果(和)作为ROM的地址，ROM内存储有波形数据，ROM的数据输出由D/A转换成模拟量，经过LPF滤波，输出ROM内存储的波形。

基本的DDS芯片，主频f_MCLK=1 MHz，频率字FREQREG=1，同步加法器的位数为8，则同步加法器相当于进行0～255(0x00～0xFF)的计数过程，该过程循环重复，其循环频率为fMCLK/256。若ROM存储有正弦波数据，则经过D/A转换和LPF滤波后，输出频率为f_MCLK/256的正弦波信号工字电感器；当频率字FREQREG=2，则同步加法器相当于进行步长为2的0～255(0x00～0xFF)的累加过程，该过程的频率为2×f_MCLK/256，也就是输出频率为2×f_MCLK/256的正弦波信号。
　　由此类推，基本型DDS芯片的输出频率为：
　　f₀=f_MCLK/2⁸×FREQREG
对于基本型DDS芯片，一般，主频f_MCLK通过晶体振荡电路产生，相贴片电感对固定，因此DDS的输出频率取决于频率字，频率字一般通过串行或并行接口进行设置。
DDS差模电感芯片的输出频率的变化间隔(分辨率)为f_MCLK/2⁸(当同步加法器的位数是8时)。输出频率的稳定度主要取决于晶体振荡的稳定度，输出波形则取决于ROM中的波形数据，根据奈奎斯特定理，最高输出频率小于f_MCLK/2。
由于同步加法器结果是改变输出波形的相位，在有关DDS芯片的资料中[1]，该同步加法器通常称为相位累加器。
实际应用时，DDS的结构会复杂得多，同步加法器的位数远大于8，加入相位加法器，ROM、D/A数据宽度在10位以上，主频也会较高。因此通常采用专用芯片，也有少量采用FPGA来实现的(特别当需要实现AWG时)。
Qualcomm公司、ADI公司等推出一系列DDS专用芯片。比较典型的有AD9850、AD9851、AD9852、AD9853、AD9833等。当前的信号发生器广泛使用DDS专用芯片作为电路核心[1]。历年的大学生电子竞赛均有涉及DDS芯片应用的题目。
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，输出频率和相位都可通过软件编程，调节比较方便。采用28位的频率寄存器，当主频时钟为25 MHz时，频率分辨率为0.1 Hz；主频时钟为1 MHz时，频率分辨率可以达到0.004 Hz[2]。
AD9833采用10个引脚的MSOP封装形式大功率电感贴片电感器，采用SPI接口进行控制寄存器和频率寄存器的设置，功能简洁，使用方便，故选用AD9833芯片作为音阶频率发生器。AD9833芯片的引脚图如图2所示。

大电流电感