摘 要： 介紹了DDS技術(shù)的原理和特性,，采用DDS芯片AD9833產(chǎn)生正弦波音階信號(hào)構(gòu)建音源發(fā)生器，給出了主要電路和關(guān)鍵程序,。
    關(guān)鍵詞： DDS,；相位累加器,；SPI,；D/A,；LPF

   在2008年浙江省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，有一個(gè)題目是“音樂(lè)演奏器設(shè)計(jì)”,，要求用12個(gè)鍵盤(pán)演奏音樂(lè),，其中有一個(gè)關(guān)于音階的技術(shù)指標(biāo)要求頻率誤差小于±0.1%,。本題目的關(guān)鍵在于產(chǎn)生一個(gè)高精度的音源,。一般采用的單片機(jī)定時(shí)器中斷產(chǎn)生信號(hào)的方法勉強(qiáng)能達(dá)到這個(gè)要求,。本題目有一個(gè)音階對(duì)應(yīng)頻率的附表,，描述了各音階對(duì)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(jī)定時(shí)器中斷方法無(wú)法達(dá)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(dá)到這一頻率精度的要求,。與采用51單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生的信號(hào)相比,，通過(guò)DDS產(chǎn)生的音階信號(hào)除了頻率精度高的優(yōu)點(diǎn)外，產(chǎn)生的是正弦波,，具有“純”音的特點(diǎn),，聽(tīng)覺(jué)效果較好,?；谏鲜鲈颍捎肈DS+MCU是實(shí)現(xiàn)音樂(lè)演奏器的一種較好設(shè)計(jì)方案,。其技術(shù)核心為可控的音階的發(fā)生,，構(gòu)成一個(gè)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(shí)用價(jià)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(jìn)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(shí)鐘,，同步加法器按照主時(shí)鐘進(jìn)行同步加法運(yùn)算。同步加法器的一個(gè)加數(shù)是存儲(chǔ)于頻率字寄存器中的頻率字,，另一個(gè)加數(shù)是同步加法器的上次加法運(yùn)算結(jié)果(和),。同步加法器的加法運(yùn)算結(jié)果(和)作為ROM的地址，ROM內(nèi)存儲(chǔ)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(guò)LPF濾波，輸出ROM內(nèi)存儲(chǔ)的波形,。

    基本的DDS芯片,，主頻f_MCLK=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(dāng)于進(jìn)行0～255(0x00～0xFF)的計(jì)數(shù)過(guò)程,，該過(guò)程循環(huán)重復(fù)，其循環(huán)頻率為fMCLK/256,。若ROM存儲(chǔ)有正弦波數(shù)據(jù),，則經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和LPF濾波后，輸出頻率為f_MCLK/256的正弦波信號(hào),；當(dāng)頻率字FREQREG=2,，則同步加法器相當(dāng)于進(jìn)行步長(zhǎng)為2的0～255(0x00～0xFF)的累加過(guò)程，該過(guò)程的頻率為2×f_MCLK/256,，也就是輸出頻率為2×f_MCLK/256的正弦波信號(hào),。
　　由此類(lèi)推，基本型DDS芯片的輸出頻率為：
　　f₀=f_MCLK/2⁸×FREQREG
    對(duì)于基本型DDS芯片,，一般,，主頻f_MCLK通過(guò)晶體振蕩電路產(chǎn)生，相對(duì)固定,，因此DDS的輸出頻率取決于頻率字,，頻率字一般通過(guò)串行或并行接口進(jìn)行設(shè)置。
    DDS芯片的輸出頻率的變化間隔(分辨率)為f_MCLK/2⁸(當(dāng)同步加法器的位數(shù)是8時(shí)),。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f_MCLK/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(chēng)為相位累加器。
    實(shí)際應(yīng)用時(shí),，DDS的結(jié)構(gòu)會(huì)復(fù)雜得多,，同步加法器的位數(shù)遠(yuǎn)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(huì)較高,。因此通常采用專(zhuān)用芯片,，也有少量采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)的(特別當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)AWG時(shí))。
    Qualcomm公司,、ADI公司等推出一系列DDS專(zhuān)用芯片,。比較典型的有AD9850、AD9851,、AD9852,、AD9853,、AD9833等。當(dāng)前的信號(hào)發(fā)生器廣泛使用DDS專(zhuān)用芯片作為電路核心[1],。歷年的大學(xué)生電子競(jìng)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(guò)軟件編程,，調(diào)節(jié)比較方便。采用28位的頻率寄存器,，當(dāng)主頻時(shí)鐘為25 MHz時(shí),，頻率分辨率為0.1 Hz；主頻時(shí)鐘為1 MHz時(shí),，頻率分辨率可以達(dá)到0.004 Hz[2],。
    AD9833采用10個(gè)引腳的MSOP封裝形式，采用SPI接口進(jìn)行控制寄存器和頻率寄存器的設(shè)置,，功能簡(jiǎn)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(guò)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(hào)輸出,。其輸出頻率為：
   
2 硬件設(shè)計(jì)
    AD9833芯片有3根串行接口線(xiàn)，與SPI,、QSPI,、MI－CROWIRE和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容，在串口時(shí)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(shí)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(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),，F(xiàn)SYNC引腳必須置低,。

    本設(shè)計(jì)中，MCU采用51系列芯片，圖4是音源器部分的電路原理圖,。P1.5,、P1.6、P1.7分別與AD9833芯片的FSYN,、SCLK,、SDA相連，MCU通過(guò)模擬SPI的時(shí)序,，對(duì)AD9833芯片的各寄存器進(jìn)行設(shè)置,。Y2是一個(gè)有源晶振，其第3腳輸出頻率為4.194 304 MHz的信號(hào),，提供給AD9833芯片的主頻輸入端,，AD9833芯片產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)JP3輸出，與音頻功放電路相連,，通過(guò)音頻功放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲,。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
    本設(shè)計(jì)中，主頻時(shí)鐘采用4.194 304 MHz,。輸出頻率計(jì)算如下：
   
式中,，f₀為輸出頻率，f_MCLK為主頻(4.194 304 MHz),，F(xiàn)REQREG為頻率寄存器設(shè)置的頻率字,。頻率分辨率為1/64=0.015 625 Hz。
    根據(jù)上述公式,，計(jì)算出各音階對(duì)應(yīng)的頻率字參數(shù)如表1所示,。

    控制程序在Keil uv2環(huán)境下開(kāi)發(fā)，程序采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程形式實(shí)現(xiàn),。實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制部分采用匯編語(yǔ)言,，主體部分則采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。程序主體部分調(diào)用時(shí)序控制部分時(shí),，通過(guò)全局字節(jié)變量light_o和light_o1傳遞數(shù)據(jù)。
　　  時(shí)序控制部分程序通過(guò)模擬SPI接口時(shí)序,，完成對(duì)DDS芯片內(nèi)部寄存器的設(shè)置,，具體程序如下(定義部分略)：
    to_9833:
        setb SCK
        clr CS  
        mov a，light_o
        mov r1,，#08h
        call out_SPI
        mov a,，light_o1
        mov r1，#08h
        call out_SPI
        setb CS
        clr SCK
        ret
    out_SPI:
        RLC A
        mov SO,，c
        clr  SCK
        setb SCK
        djnz r1,，out_SPI
        ret
    程序主體部分中，根據(jù)表1將音階數(shù)據(jù)定義成一個(gè)一維數(shù)組：
    code unsigned int music_table[ ]={0x5268,，0x5c80,，
0x67d3,，0x6e00，0x7b78,，0x8a97,，0x92d5，0xa4d5,，0xb8ff,，0xcfa7，0xdc00,，0xf6f0,，}；
    主程序的編程框圖如圖5所示,。對(duì)AD9833芯片通過(guò)寫(xiě)入控制字的方式進(jìn)行初始化,。程序在主循環(huán)中運(yùn)行。主循環(huán)對(duì)有效按鍵進(jìn)行處理,，對(duì)于有效琴鍵,，調(diào)用音階函數(shù)即可。音階函數(shù)如下：
    void play_music(unsigned char nn)
       {
           light_o = 0x20,；
           light_o1 = 0x00,； //設(shè)控制字
            to_9833()；
            v_3.cm_int =music_table[nn],； //查音階表
              light_o = 0x40 | (v_3.cm.cm_0 & 0x3f),；
              light_o1 = v_3.cm.cm_1；  
              to_9833(),；   //設(shè)頻率字
              light_o = 0x40,；
              light_o1 = v_3.cm.cm_0 / 0x40；
              to_9833(),；  
        }   
    如有音階2的琴鍵被按下有效,，C語(yǔ)言對(duì)調(diào)用函數(shù)描述為：
    play_music(2)；

    程序中還包含按鍵處理,、顯示,、存儲(chǔ)控制等部分，限于篇幅,，不再贅述,。經(jīng)實(shí)測(cè)，本音源發(fā)生器產(chǎn)生的各音階頻率與表1設(shè)計(jì)值一致,，頻率誤差<0.02%,，波形則是“純凈”的正弦波。通過(guò)功率放大，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲,。
    通常不同樂(lè)器發(fā)音時(shí),，均有不同特征的諧波。常規(guī)樂(lè)器難以實(shí)現(xiàn)只有主音,、無(wú)諧波成分的音階,，而通過(guò)本文DDS芯片設(shè)計(jì)的音源器，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的無(wú)諧波成分的音階,，有獨(dú)特的聽(tīng)覺(jué)效果,。可作為基準(zhǔn)音階,，用于各類(lèi)樂(lè)器的校音,。

參考文獻(xiàn)
[1] 丁守成.基于DDS的信號(hào)發(fā)生器.現(xiàn)代儀器，2007(6).
[2] Analog Device,，Inc. AD9833 Data Sheet. 2003.