試論基于單片機(jī)的DDS算法的實(shí)現(xiàn)

◆羅 昕 易 群

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西 330013）

直接數(shù)字頻率合成信號發(fā)生器憑借其高分辨率、低相位噪聲以及穩(wěn)定的輸出效率，逐漸成為最常見的信號發(fā)生器。信號發(fā)生器功能取決于DDS算法，結(jié)合單片機(jī)使用DDS算法可以優(yōu)化單片機(jī)性能，讓單片機(jī)服務(wù)質(zhì)量提升，推動我國各個(gè)行業(yè)的發(fā)展。因此，研究單片機(jī)和DDS算法的結(jié)合具有重要意義，有助于推動單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，讓單片機(jī)性能更加優(yōu)化。

1 單片機(jī)

單片機(jī)作為一種集成電路，使用大規(guī)模集成電路將CPU、RAM、ROM、定時(shí)器等設(shè)備集成為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。目前單片機(jī)逐漸被各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，滲透到人們的日常生活中，在飛機(jī)儀表、導(dǎo)航裝置、數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)自動化、網(wǎng)絡(luò)通信等方面，單片機(jī)都發(fā)揮著重要作用。單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用給各個(gè)行業(yè)帶來了巨大幫助。例如利用單片機(jī)功耗低、體積小的優(yōu)勢，讓很多精密測量儀器，如電壓表、分析儀提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

如今直接數(shù)字頻率合成信號發(fā)生器由于具有信號穩(wěn)定、頻率以及噪聲低的優(yōu)勢逐漸替代RC、LC振蕩電路信號發(fā)生器，變成信號發(fā)生器主流發(fā)展方向。DDS信號發(fā)生器核心設(shè)計(jì)在于應(yīng)用DDS算法，最常見的方法有兩種。第一種是利用FPGA形成DDS算法，也就是通過HDL進(jìn)行DDS算法設(shè)計(jì)，形成波形數(shù)字的序列，通過FPGA輸出轉(zhuǎn)換器，從而讓信號輸出得以實(shí)現(xiàn)。第二種是使用DDS芯片，對單片機(jī)改用DDS芯片寄存器，輸出同等波形和頻率的模擬信號，芯片的算法在出廠時(shí)已經(jīng)完成設(shè)計(jì)，不需要另行設(shè)計(jì)。本文著重研究利用單片機(jī)替代專用芯片，借助于C語言的編程方法實(shí)現(xiàn)DDS算法，讓單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器設(shè)計(jì)。

2 DDS基本原理

DDS是一種直接數(shù)字合成技術(shù)，通過相位累積查表，實(shí)現(xiàn)合成波形，在波形存儲器中保存波形幅值數(shù)據(jù)，對頻率控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用相位累加器在波形存儲器內(nèi)對頻率加以控制，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器以及濾波器，形成波形的輸出。如AD9850 DDS芯片，其單電源工作使用3.3V或者5V，接口簡單，可以允許八位并行口或者串行口實(shí)現(xiàn)頻率和調(diào)制數(shù)據(jù)的裝載。使用高性能轉(zhuǎn)換器和比較器，可以讓正弦波、方波得到輸出。芯片的最高工作時(shí)鐘為125MHz，在該時(shí)鐘下頻率控制字可以達(dá)到0.0291Hz的分辨率。調(diào)相控制字為5位，讓相位調(diào)制功能得到實(shí)現(xiàn)，頻率轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到2.3*107次/s。該芯片的功率較低，在兩種電源下分別只有155mW、380mW。該芯片應(yīng)用了DDS技術(shù)，芯片內(nèi)部包含32位相位累加器、10位DA轉(zhuǎn)換器、1個(gè)高速比較器，使芯片性能達(dá)到了實(shí)際要求。

3 基于單片機(jī)的DDS算法的實(shí)現(xiàn)

（1）設(shè)計(jì)要點(diǎn)

目前信號發(fā)生器存在一定問題，主要體現(xiàn)在頻率范圍相對較小，且調(diào)整頻率只能成倍調(diào)整，無法進(jìn)行連續(xù)輸出。按鍵輸入系統(tǒng)不能輸出任意信號。為了讓頻率得到增加，需要減少定時(shí)器時(shí)間，溢出時(shí)間不能過小，要注意中斷函數(shù)代碼時(shí)間，減少頻率包含兩種方法，第一種是將中斷溢出時(shí)間加以延長，第二種是給DAC輸出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入DAC中。若采取第一種方法，調(diào)整頻率需要調(diào)整兩個(gè)參數(shù)，也就是步進(jìn)值以及中斷值。使用這種方法并不能實(shí)現(xiàn)精確調(diào)整頻率，還需要調(diào)整一個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的輸出。為方便于計(jì)算經(jīng)常設(shè)定固定中斷溢出時(shí)間，參數(shù)調(diào)整使用步進(jìn)值step。一般情況下要減少頻率，進(jìn)而讓步進(jìn)值有所減小，最小設(shè)定為1。調(diào)整步進(jìn)值需要用到DDS原理，假設(shè)時(shí)鐘是2MHz，寄存器設(shè)定N Bit，受到時(shí)鐘的驅(qū)動，累加器的輸出結(jié)果反饋給累加器輸入端，數(shù)據(jù)逐漸累加。時(shí)鐘脈沖被反饋向B，循環(huán)累積。按照步進(jìn)值進(jìn)行時(shí)鐘的累加，讓N Bit數(shù)據(jù)得到循環(huán)累積，完成地址的循環(huán)。

（2）C語言設(shè)計(jì)DDS算法

由于DDS算法基于相位進(jìn)行頻率合成，實(shí)現(xiàn)信號的生成。在DDS中，主要包括相位累加器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘、濾波器、正弦波形存儲器這五個(gè)部分。相位累加器也就是計(jì)數(shù)器，由于時(shí)鐘脈沖影響，讓相位增量逐漸累加。若累加器溢出，溢出位除外，累加器會保留數(shù)字位。將輸出數(shù)據(jù)作為地址，對正弦查詢表加以查詢，將正弦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬信號。低通濾波器可以將模擬信號輸出為正弦波的信號。使用DDS算法主要利用相位累加器實(shí)現(xiàn)相加，輸出得到0～（232-1），將后八位當(dāng)作查詢表地址，同時(shí)將正弦波數(shù)據(jù)在正弦表中保存，使用八位轉(zhuǎn)換器，可以使用256個(gè)點(diǎn)得到完整正弦波數(shù)據(jù)。頻率控制字決定輸出信號頻率。受到單片機(jī)運(yùn)行影響，選擇10KHz時(shí)鐘頻率。得到頻率控制字后，想要獲得輸出頻率只需要時(shí)鐘頻率和頻率控制字相乘即可。

根據(jù)DDS算法的本質(zhì)，考慮到不同時(shí)鐘脈沖Felk作用，累加器要加1，查找正弦表獲得波形數(shù)據(jù)，依照C語言編程特征，使用定時(shí)中斷替代DDS時(shí)鐘脈沖方式，時(shí)鐘作用可以使用定時(shí)中斷來實(shí)現(xiàn)。首先利用定時(shí)器設(shè)置初始化程序，要求100μs的中斷，在中斷程序中DDS算法得以實(shí)現(xiàn)。Felk設(shè)定10KHz的數(shù)值。受到單片機(jī)速度極限的限制，周期設(shè)置不能過于短，避免造成輸出信號頻率受到影響。使用高速CPU，利用短定時(shí)周期，可以讓輸出信號頻率得到提升。其次需要對相位累加器加以設(shè)置，先設(shè)置32位寄存器，使用加法進(jìn)行運(yùn)算，定時(shí)中斷要將頻率控制字和累加器進(jìn)行相加，同時(shí)將結(jié)果儲存在累加器中。最后設(shè)置正弦查詢表，先對包含256數(shù)組的數(shù)據(jù)表進(jìn)行儲存，用于設(shè)定正弦數(shù)據(jù)表的存放。若出現(xiàn)定時(shí)中斷，將累加器后八位當(dāng)作索引，以方便讀取數(shù)據(jù)。

（3）低通濾波器設(shè)計(jì)

為了避免輸出頻率受到外界環(huán)境的干擾，要使用低通濾波器進(jìn)行過濾。常見濾波器使用頻率響應(yīng)有巴特沃斯型、橢圓型以及切比雪夫型三種。巴特沃斯型濾波器通帶最為平整，沒有紋波，在零頻位置上，對于信號造成的衰減最不明顯，但是由于過渡帶并不陡峭，對于通帶要求相對高，適用于去除和通帶距離較遠(yuǎn)頻率；切比雪夫?yàn)V波器在通帶衰減上存在起伏變化，但過渡帶較為陡峭；橢圓濾波器通帶存在起伏，但是過渡帶相對陡峭。因此通常選擇橢圓濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)建立在硬件電路基礎(chǔ)上，依據(jù)系統(tǒng)功能滿足系統(tǒng)多種需求，軟件設(shè)計(jì)可以讓微控制器得到充分發(fā)揮，讓儀器精度以及便捷性得到優(yōu)化。經(jīng)過程序設(shè)定頻率，有效控制頻率，對用戶鍵盤頻率設(shè)定，判斷頻率是否處于范圍之內(nèi)，形成頻率控制字，使用并行方式送進(jìn)DDS，合成用戶需要的頻率。單片機(jī)具備中斷功能，根據(jù)中斷方式對鍵進(jìn)行判斷，消抖之后使用掃描方式確定閉合鍵，中斷之后產(chǎn)生MSP430喚醒。定義按鍵為功能鍵或數(shù)字鍵，選擇輸出波形，正弦波用于擴(kuò)充功能，使用數(shù)字鍵輸入頻率。

4 結(jié)論

本文研究了在51單片機(jī)基礎(chǔ)上DDS算法的實(shí)現(xiàn)，在低頻要求為滿足敏感信號源的設(shè)計(jì)要求，使用程序?qū)崿F(xiàn)DDS算法更具優(yōu)勢。通過利用DDS技術(shù)的優(yōu)勢，讓單片機(jī)優(yōu)化硬件和軟件，讓其更穩(wěn)定的運(yùn)行，提供高分辨率滿足人們使用需求。