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[技术讨论] [DDS] AD9833原理介绍及chiliDDS驱动分享(上)

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2006|5
Litthins|  楼主 | 2021-5-9 20:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 Litthins 于 2021-5-10 02:11 编辑
#技术资源# #申请原创# @21小跑堂

其实本文还有另一标题:AD9833调不通?看这篇文章就够了》
总觉字里行间隐隐霸气外露,不符合作者低调的风格,于是换了个朴素标题。标题狂不狂暂且不评,作者水平有限却是个事实;看到这篇文章是你我缘分,人人境遇本不同,不敢打包票能解决各位的疑惑,但希望对大家有所帮助是作者的初衷。

本文内容丰富,分上下两篇更新,主要内容如下:
1.DDS核心部分及其工作原理梳理,回答DDS是什么,怎么工作?
2.AD9833芯片介绍和上手指南,回答AD9833芯片特点,内部结构,非编程的注意事项;
3.chiliDDS驱动介绍,作者自己写的驱动,简单易用包教会,AD9833调不通?不存在的!

本帖侧重内容1和内容2,内容3稍有涉及,并将在下一篇详细讨论。文章内容是作者团队实践经验的反思总结,文中图片若无标注,均为原作。驱动好不好使,先上个图大家评价评价。
波形展示.JPG
写本文前我反复考虑了文章结构,还是决定按照以下三步走:DDS基础,AD9833使用指南,chiliDDS驱动程序介绍。以下是正文部分:


DDS简要基础

直接数字合成是生成模拟信号的一种常用方法,简单意义上的DDS,主要由相位调制器、波形查找表和DAC组成。相位调制器产生一个相位信息,使用该相位信息去波形查找表中查找对应的幅值信息,将幅值送DAC,产生对应的模拟信号,这就是DDS的工作原理。相位调制器一般由相位累加器相位偏移器组成,先说相位累加器,看图,上半部分为幅值图,下半部分为相位图。
正弦函数幅值与相位关系.bmp
我们知道,对于简单正弦函数,幅值A和相位φ不是线性关系,通过相位φ求幅值A,需要经过A=sin(φ)的三角运算;用MCU直接算吗?使用MCU进行三角函数计算的时间开销相对较大,对于频率较高的DDS,略显力不从心,实际DDS中也不是这么搞的。DDS的相位信息被存放在累加寄存器中,虽然幅值和相位不是线性关系,但寄存器累加值和相位可以是线性关系,很容易用寄存器的累加值表达相位信息。

由于累加寄存器的位数是固定的,累加操作从0开始直至寄存器溢出,对应的相位信息是有限个数,相位对应的幅值信息也是有限个数,对于DDS而言,一种比较高效的方法是,将相位信息和幅值信息制作成查找表,根据累加寄存器的值,去波形查找表中查询对应的DAC数值,送到DAC中产生需要的电压信号。这里需要注意,为了降低系统误差,累加器的位数一般大于DAC的位数。

相位偏移器又是什么呢?一般情况下累加器的值是从0开始加的,输出波形的相位也是从0开始的;如果我想要输出信号的相位从90°开始,需要增加一个偏移,从相位累加器取出当前相位+相位偏移器的偏移相位,结果再送波形查找表,即可获得偏移后的幅值信息,DAC就可以输出偏移后的波形啦。流程可见下图:
DDS核心结构.JPG
这里部分朋友可能会产生疑问,相位累加器的原理已经明白了,但频率如何调节?这需要一点数学工具,请看公式推导:

对于简单正弦函数,有:

f(t)=sin(ω*t)=sin(2π*f*t)
此处ω*t是三角函数的角位移,范围在0~2π,可以表示为φ=ω*t=2π*f*t
由于DDS是时钟驱动的,时间t以固定间隔∆t前进设时钟计数τt=∆t*τ,所以有如下等式:
φ=2π*f*∆t*τ
对特定的DDS系统,∆t由驱动时钟的频率确定,设该时钟频率为fm,则∆t=1/fm,于是有:
φ=2π*f/fm
在上式中,f是系统输出信号的频率,fm是系统的时钟频率,我们把输出频率f放到左边,对等式进行整理:
f=fm*(φ/2π)*(1/τ)
现在考虑φ在DDS中的表示方式,假设DDS系统中存在一个28bit的寄存器,数值范围应为0~(2^28-1),为方便表述,将寄存器的最大值用Cmax来表示,则0~Cmax对应角度范围0~2π,因寄存器中的数值是离散的,设寄存器数值的单位增量为∆reg,设累加次数τ,有:φ=2π/(2^28)*∆reg*τ,带入f的表达式,有:
f=1/(2^28)*fm*∆reg
这个结论太棒了,它表明DDS的输出频率仅和系统的时钟频率fm,寄存器数值的单位增量∆reg有关,在确定DDS的系统时钟后,通过调整∆reg,即可实现频率调节!但是单位增量∆reg看不见摸不着,怎么调它?最简单的做法是,对外暴露一个接口接收目标频率参数f,在系统内设置∆reg=f*(2^28)/fm,这样输出信号的频率和编程写入的频率就一致了。


AD9833使用指南

先盘一下AD9833的特性,
输出频率:0~12.5MHz(12.5MHz在时钟25MHz时达到);
工作电压:2.3V~5.5V(最大不超过6V);
通信方式:三线SPI(最大通信速率40MHz);
输出波形:正弦、三角、方波;也可软件控制输出复杂波形;
其他特性:睡眠模式(唤醒时间1ms)、脉冲直接输出、DAC关断等。
关于焊接:回流焊温度不应超过220℃!

使用前必知(最重要的3点!):
1.AD9833是单电源DDS,输出信号没有负电压!2.输出电压最大值为650mV,不是供电电压!3.输出电压最小值为38mV,不是0!

引脚接线方式直接上图比较清晰:
AD9833接线图.JPG
特殊引脚的作用及布线:
1.COMP         DAC的偏置引脚,用于退耦DAC的偏置电压,经10nF电容连接到VDD;
2.CAP/2.5V    内部2.5V稳压器的退耦电容,100nF到DGND;若VDD≤2.7V,将该引脚连接到VDD使内部稳压器旁路;
3.MCLK         外部时钟输入,该时钟的质量将直接影响DDS的频率精度和相位噪声;
4.FSYNC        通信同步引脚,通信开始时,需将该引脚拉低;
5.AGND         模拟地,若没有专用的模拟地,可通过一个0Ω电阻跨接数字地;
6.VOUT         模拟信号输出引脚,内部有200Ω负载接地;

AD9833通信约定:
数据以一个16位字的形式,通过SPI传送到AD9833;通信开始前需将同步引脚拉低,且同步引脚拉低时时钟线SCLK应为高电平;
数据可一次传输一个字,传输完成后将同步引脚拉高结束通信;也可一次传输多个字,传输时保持同步引脚为低电平,直至多个字传输完成后拉高。

AD9833内部结构,先上图:
功能框图.JPG
(该图截自AD9833数据手册,彩色是我后标上去的)
标记1:频率寄存器部分
AD9833拥有两个频率寄存器,分别为FREQ0和FREQ1;因此可以配置两个不同的频率,可通过设置激活其中一个;
标记2:相移寄存器部分
AD9833拥有两个相移寄存器,分别为PHASE0和PHASE1;因此可以配置两个不同的相移,可通过设置激活其中一个;
标记3:12位地址截断
图中的/12标记可能让部分新手疑惑。因为相位调制器的位数是28位,若全部对应到波形查找表中,将需要一个地址宽度为28bit的查找表ROM,这是非常惊人的。事实上,因为AD9833的DAC只有10位精度,28bit查找表无法被充分使用;通过将28bit的地址截断为12bit,可以减小查找表ROM容量,只要截断带来的误差小于DAC的分辨率,就不会影响到DDS的性能。
标记4:MSB直接输出
通过将DAC的MSB以数字直接输出的形式输出到VOUT引脚,可以得到方波,内建的2分频通道可将输出频率降低到原来的1/2。
标记5:控制寄存器
一个16位的控制寄存器,详细操作方法将结合chiliDDS在下一篇文章中详细讨论。

那么chiliDDS是怎样的驱动呢?
驱动移植,仅需实现两个宏一个SPI初始化函数
  1. /*************************************************************
  2. * FSYNC_HIGH and FSYNC_LOW are used as CS signal to AD9833. *
  3. * A GPIO pin with level control can be used here.           *
  4. * This two macro must be implemented.                       *
  5. *************************************************************/
  6. #define FSYNC_HIGH /* Add Code Here */
  7. #define FSYNC_LOW  /* Add Code Here */

  8. /*************************************************************
  9. * @brief: The initialization of Hardware SPI,which is       *
  10. *          specified by the MCU used.If software SPI        *
  11. *          is used,ignore this function.                    *
  12. * @param: None                                              *
  13. * @retval: None                                             *
  14. *************************************************************/
  15. static void chilis9833_SPI_Init(void)
  16. {
  17.     /* Add Code Here */
  18. }
复制代码
使用时,仅需调用4个函数:
  1. chilis9833_Init();    //AD9833初始化
  2. chilis9833_Write_Freq_2Bytes(REG_WRITE_FREQ0, 2500);    //设置频率
  3. chilis9833_Write_Phase(REG_WRITE_PHASE0, 0);    //设置相移
  4. chilis9833_Output_Mode(CMD_SELECT_FREQ0, CMD_SELECT_PHASE0, CMD_OUTPUT_SINUSOIDAL);    //激活频率和相移寄存器,设置输出波形
复制代码
下图是上段代码的实际效果展示,输出信号已经过运算放大器放大:
chiliDDS效果演示.jpg
结合AD9833,chiliDDS驱动将在下一篇文章中开源并做详细介绍。感兴趣的朋友请留言评论,大家一起讨论吧!


Litthins
2021年5月10日·青岛






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21小跑堂 打赏了 20.00 元 2021-05-10
理由:恭喜通过原创文章审核!请多多加油哦!

评论

Litthins 2021-5-17 22:32 回复TA
@3722BC68 :这个现象确实存在,也值得探讨,初步考虑信号放大时程控放大倍数 
3722BC68 2021-5-17 19:34 回复TA
当频率升高时AD9833输出幅度会降低 怎样稳定输出幅度 
202059mm 2021-5-14 19:42 回复TA
@Litthins :我设计使用数字电位器先分压后放大了 
Litthins 2021-5-14 15:25 回复TA
@202059mm :AD9833的输出幅值似乎无法调整,可以考虑后续放大再调整 
202059mm 2021-5-14 10:51 回复TA
AD9833输出幅值咋调?我目前用数字电位器,但目前数字电位器好像是坏的,重新买了 

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