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

   在2008年浙江省大學生電子設計競賽中，有一個題目是“音樂演奏器設計”,，要求用12個鍵盤演奏音樂,，其中有一個關于音階的技術指標要求頻率誤差小于±0.1%。本題目的關鍵在于產(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頻率的附表，描述了各音階對應頻率的精確值，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，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?，采用DDS+MCU是實現(xiàn)音樂演奏器的一種較好設計方案。其技術核心為可控的音階的發(fā)生,，構成一個音源發(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。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的基本結構如圖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果(和),。同步加法器的加法運算結果(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,，則同步加法器相當于進行0～255(0x00～0xFF)的計數(shù)過程,，該過程循環(huán)重復，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轉換和LPF濾波后,，輸出頻率為f_MCLK/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×f_MCLK/256,，也就是輸出頻率為2×f_MCLK/256的正弦波信號。
　　由此類推,，基本型DDS芯片的輸出頻率為：
　　f₀=f_MCLK/2⁸×FREQREG
    對于基本型DDS芯片,，一般，主頻f_MCLK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置,。
    DDS芯片的輸出頻率的變化間隔(分辨率)為f_MCLK/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f_MCLK/2。
    由于同步加法器結果是改變輸出波形的相位,，在有關DDS芯片的資料中[1],，該同步加法器通常稱為相位累加器。
    實際應用時,，DDS的結構會復雜得多,，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],。歷年的大學生電子競賽均有涉及DDS芯片應用的題目,。
    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,。

    本設計中,，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通過模擬SPI的時序,，對AD9833芯片的各寄存器進行設置,。Y2是一個有源晶振，其第3腳輸出頻率為4.194 304 MHz的信號,，提供給AD9833芯片的主頻輸入端,，AD9833芯片產(chǎn)生的信號通過JP3輸出,，與音頻功放電路相連,，通過音頻功放驅動揚聲器發(fā)聲。

3 軟件實現(xiàn)
    本設計中,，主頻時鐘采用4.194 304 MHz,。輸出頻率計算如下：
   
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,，計算出各音階對應的頻率字參數(shù)如表1所示。

    控制程序在Keil uv2環(huán)境下開發(fā),，程序采用匯編語言和C語言混合編程形式實現(xiàn),。實現(xiàn)時序控制部分采用匯編語言，主體部分則采用C語言進行編程,。程序主體部分調用時序控制部分時,，通過全局字節(jié)變量light_o和light_o1傳遞數(shù)據(jù)。
　　  時序控制部分程序通過模擬SPI接口時序,，完成對DDS芯片內(nèi)部寄存器的設置,，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AD9833芯片通過寫入控制字的方式進行初始化,。程序在主循環(huán)中運行。主循環(huán)對有效按鍵進行處理,，對于有效琴鍵,，調用音階函數(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語言對調用函數(shù)描述為：
    play_music(2)；

    程序中還包含按鍵處理,、顯示,、存儲控制等部分，限于篇幅,，不再贅述,。經(jīng)實測,，本音源發(fā)生器產(chǎn)生的各音階頻率與表1設計值一致，頻率誤差<0.02%,，波形則是“純凈”的正弦波,。通過功率放大，驅動揚聲器發(fā)聲,。
    通常不同樂器發(fā)音時,，均有不同特征的諧波。常規(guī)樂器難以實現(xiàn)只有主音,、無諧波成分的音階,，而通過本文DDS芯片設計的音源器，實現(xiàn)了精準的無諧波成分的音階,，有獨特的聽覺效果,。可作為基準音階,，用于各類樂器的校音,。

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