2021年电赛 | 手把手带你玩转DDS
时间：2022-10-29 15:00:01
摘要：原定于7月28日发布的设备清单将于26日提前2天发布。我觉得我们现在应该猜测，与其猜题，不如静下心来做题。。盲目猜测问题是没有必要的。熟悉相关设备尤为重要。不要到处去水群聊天。听风是雨。如果你能猜到这个话题，你只能说这个话题很差，我们可以猜到。
既然你猜不到，就不要浪费时间。相反，充分利用这些时间，继续完成你手中的事情，购买你应该购买的组件。如果你买得晚，它会很贵。购买后，每个组件应尽可能熟悉使用，并准备相关程序。
1、电赛清单
事实上，国赛年的电赛仪器设备和主要部件清单基本相同，只有很小的变化。2019年国赛年也有DDS今年还有模块DDS模块。
2、什么是DDS
DDS直接数字频率综合器 DDS(Direct Digital Synthesizer)，它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)产生所需的频率。DDS一方面有两个突出的特点，DDS在数字域工作，一旦频率控制字更新，输出频率相应变化，跳频率高；另一方面，由于频率控制字的宽度(48bit 或更高)，频率分辨率高。说人话:可以理解为信号源，即信号发生器。
电赛肯定不会让你做这样的仪器作为信号源，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
正弦波，虽然其幅度不是线性的，但其相位是线性的。DDS 利用这一特性产生正弦信号。DDS频率控制字的位数N，把 360° 平均分为2N次方等份。
相位幅度转换
通过相位累加器，我们得到了合成Fout 相位信息对应于频率，然后相位幅度转换器 0°~360°相位转换为相应相位的幅度值。例如，当DDS选择为2Vp-p的输出时，45°相应的幅度值为 0.707V，该值以二进制的形式输入DAC。通过查表完成相位到幅度的转换。
DAC输出
二进制数字信号的代表范围被发送到DAC并将其转换为模拟信号输出。DAC位数不影响输出频率的分辨率。输出频率的分辨率由频率控制字的位数决定。
4.怎样做一个？DDS
注意电赛清单说的是：DDS芯片或模块。也就是说，你可以自己买芯片设计电路板，也可以自己买DDS模块。当然，如果你有能力直接购买芯片，自己画板子，你就可以这样做DDS一定要直接买DDS模块的学生更有优势。当然，如果你觉得很难买一个DDS模块吧！
如何选择DDS
如何选择哪一个？DDS芯片仍然取决于你自己的预算和你的需求。今天主要讲的是DDS安富莱家的模块AD9833这一款DDS模块。至于为什么选择一个，因为19年电赛买了这个，价格还是便宜的，电路和编程都比较简单。强调这不是广告！
5、AD9833简介
AD9833是ADI公司生产的低功耗可编程波形发生器可产生正弦波、三角波和方波输出。波形发生器广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域，AD9833不需要外部元件，输出频率和相位可通过软件编程，易于调节，频率寄存器为28位，主频时钟为25MHz时，精度为0.1Hz，主频时钟为1MHz精度可达0.004Hz。
数据可以通过三个串行接口写入AD983，这三个串口的最高工作频率可达40MHz，易于与DSP兼容各种主流微控制器。AD9833的工作电压范围为2.3V-5.5V。
AD9833还具有休眠功能，例如，如果使用，可以使未使用的部分休眠，减少这部分的电流损失AD作为时钟源，9833输出可以让DAC为了减少功耗，休眠电路采用10引脚MSOP型面贴片封装，体积小。
AD9833特点
数字编程频率和相位数字编程
工作电压为3V功耗只有20mW
输出频率范围为OHz-12.5MHz
28位频率寄存器(25位)Mz参考时钟下，精度为0.1Hz)
正弦波、三角波、方波输出
没有外部元件
3线SPI接口
温度范围为-40℃- 105℃
总结一下：通过这个模块和单片机SPI通信方式，模块的数据频率和相位可以通过操作芯片内行调整。可输出的频率范围为0-12.5MHZ。可输出正弦波、三角波和方波。
AD9833模块电路图
为了让大家更好地理解，我直接截取了成品模块原理图。
可以看到AD9833是全集成在一起DDS，高达12个外部参考时钟，1个低精度电阻器和一个解耦电容器.5Mz的正弦波。AD933的核心是28位相位累加器，由加法器和相位寄存器组成。每1小时，相位寄存器逐步增加，相位寄存器输入正弦查询表地址。正弦查询表包含正弦波一个周期的数字幅度信息，每个地址对应正弦波0°-360°范围内的一个相位点。
下图来自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！
接下来是单片机如何连接芯片的引脚，以及如何编写驱动代码。
6、AD9833驱动代码
一般来说，当你在网上购买模块时，卖家会给你实例代码。也许实例代码不同于您使用的单片机型号。但一般的想法框架是相同的。以下是安富莱的AD9833代码为例。
说明:他的平台是STM32F也许你用的407F103系列或者MSP430，但是驱动代码都是。您可以完全使用驱动代码.c和.h将文件导入您的项目。
功能描述
AD9833有三条串行接口线SPI、QSPI、DSP接口标准兼容，串口时钟SCLK数据以16位的方式加载到设备上，FSYNC引脚是选择能引脚、电平触发、低电平有效的片材。串行数据传输时，FSYNC引脚必须置低，要注意 FSYNC有效到SCLK建立下降边缘的最小值。FSYNC放低后，16个SCLK沿数据发送下降AD第16个输入移位寄存器为9833SCLK的下降沿FSYNC可以放高，但要注意SCLK下降沿到FSYC数据保持上升边的最小和最大值。当然，也可以 FSYNC在低电平时，连续加载多个16位数据，仅在最后一个数据的第16位SCLK下降边缘的时间 FSYNC最后要注意的是，写数据的时候SCLK时钟是高低电平脉冲，但在 FSYNC(即将开始写数据时)，SCLK必须为高电平(注意t参数11)。
当AD9833初始化时，为了避免DAC产生虚假输出，RESET必须置为1（RESET不复位频率、相位和控制寄存器)，直到配置完成，需要输出 RESET置为0；RESET为0后的8-9个MCLK时钟周期可以在DAC波形观察到输出端。
AD9833将数据写入输出端以获得响应。中间有一定的响应时间。每次将新数据加载到频率或相位寄存器中，将有7-8个MCIK时钟周期延迟后，输出端的波形会发生变化，有一个MCLK由于数据加载到目的寄存器时，时钟周期的不确定性，MCLK上升沿位置不确定。
既然模块要连接到单片机，首先要确定使用哪些引脚，因为它们通过三线SPI通信方式。
初始化GPIO
*定义GPIO端口*/ #defineRCC_SCLKRCC_AHB1Periph_GPIOB #definePORT_SCLKGPIOB #definePIN_SCLKGPIO_Pin_3 #defineRCC_SDATARCC_AHB1Periph_GPIOB #definePORT_SDATAGPIB
#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。
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
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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