1、DDS模块的主要构成

DDS模块原理框图

2、DDS器件的工作原理

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和相位偏移器组成，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。

3、DDS内部模块介绍

相位累加器：是DDS的核心组成部分，用于实现相位的累加，并输出相应的幅值。相位累加器由M位宽加法器和M位宽寄存器组成，通过时钟控制，将上一次累加结果反馈到加法器输入端实现累加功能，从而使每个时钟周期内的相位递增数为 $\Delta Phase$ ，并取相位累加结果作为地址输出给ROM查找表部分。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：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了。这个相位偏移值就是原理框图中相位字输入P_WORD。

幅值查找表：属于原理框图中的波形数据表ROM的内容，存储着每个相位对应的二进制数字幅度。在每个时钟周期内，查找表对相位累加器输出的相位地址信息进行寻址，然后输出对应的二进制幅度数字离散值。

假设查找表地址为M位，输出数据位N位，则查找表的容量大小位2^M*N。不难看出，输出信号的相位分辨率为2π/2^M。比如查找表的地址是4位，地址列表与相位列表对应关系：

DAC转换器：将数字信号转换为模拟信号。实际上DAC输出的信号并不是连续的，而是根据每位代码的权重，将每一位输入的数字量进行求和，然后以其分辨率为单位进行模拟的输出。实际输出的信号是阶梯状的模拟线型信号，所以要对其进行平滑处理，一般使用滤波器滤波。

4、DDS器件输出波形的频率

正弦波通常用其幅度来表示： a(t) = sin(ωt) ，其中ω = 2πf。

时间推进∆t，相位的改变量 $\Delta Phase$ 就是：

$\Delta Phase =\omega * \Delta t$

因为 $\omega =2\pi f$ ,所以上面的等式可以变换成如下：

$\omega =\frac{\Delta Phase }{\Delta t} =2\pi f$

由于DDS是时钟驱动的，时间t以固定间隔 $\Delta t$ 前进，这个时间间隔 $\Delta t$ 就是DDS器件的工作时钟间隔，DDS器件的工作时钟频率就是 $f_{MCLK}$ , 时间与频率的关系大家应该都知道吧，

$f_{MCLK} = 1/\Delta t$

所以等式 $\omega =\frac{\Delta Phase }{\Delta t} =2\pi f$ ，可以写成

$\omega =\Delta Phase * f_{MCLK}=2\pi f$

在上式中， $f$ 就是DDS器件输出信号的频率， $f_{MCLK}$ 是DDS器件工作的时钟频率，整理等式可以得出DDS器件输出信号的频率 $f$ ：

$f = \Delta Phase * f_{MCLK}/2\pi$

DDS器件工作的时候， $f_{MCLK}$ 是确定的，只要确定 $\Delta Phase$ ，就能确定DDS器件输出信号的频率。

那么问题来了，DDS器件如何确定这个 $\Delta Phase$ ？

拿正弦波来说，根据常识，正弦波的周期是 $2\pi$ ，相位角的变换范围也是0-- $2\pi$ 。假设DDS器件中存在一个28位的寄存器（好巧不巧，DDS器件里面就有那么一个28位的相位累加器），用寄存器里面的值来代表相位角，怎么个代表法？

28位的寄存器，它的取值范围就是0 -- 2^28-1，最大值就是2^28-1，我们用 $REG_{max}$ 代替，所对应的相位角范围就是0 -- $2\pi$ ，这个寄存器的值怎么变化就是关键了，DDS是数字器件，需要数字时钟的驱动，每来一个时钟脉冲，这个28位的寄存器值就增加一下，增加 $\Delta REG$ ，那么就可以这么理解了

$\Delta Phase =\frac{2\pi }{REG_{max}} *\Delta REG$

结合公式 $f = \Delta Phase * f_{MCLK}/2\pi$ ，可以得出：

$f = f_{MCLK} * \Delta REG/REG_{max}$

DDS器件的 $REG_{max}$ 是个确定的值，因为器件设计好之后，这个寄存器的位数就是确定的，这就说明DDS器件的输出信号频率，只与DDS器件的工作时钟 $f_{MCLK}$ 和寄存器数值的单位增量 $\Delta REG$ 相关，DDS器件在工作的时候工作时钟频率 $f_{MCLK}$ 是确定的，只要改变 $\Delta REG$ 的值就可以改变DDS器件输出信号的频率。

需要输出某个频率就设置 $\Delta REG$ 的值，

$\Delta REG=f * REG_{max}/ f_{MCLK}$

这个 $\Delta REG$ 也就是原理框图中要输入的频率字F_WORD。

5、重难点理解

频率控制字：也叫做频率字，简称Fword，就是每输入一个Fword，就输出对应的频率

这个Fword就是相位累加器每次加的值 $\Delta REG$ ，如果一个正弦波的峰峰值可以用256个点表示，那么一个周期需要512（2^9）个点来表示，故相位累加器的位宽要大于9，我们只需要将高9位作为ROM的输入地址，低位作为累积量。

假设相位累加器是16bit位宽，因此高9位作为ROM的地址输入。如果我们要得到这个假设系统的基频，则需要每个时钟沿都对ROM的地址加1，

即16位相位累加器的第7位+1，则输入的控制字为Fword为1000_000,

产生的基频为50M/512 = 97656.25Hz，其中512是ROM的深度，也是2^16循环计数一次的个数，其取值为2^16/Fword。

所以输出频率Fout可用公式表示为Fout=50M/(2^16/Fword)。

假设系统频率为Fclk，相位累加器的位宽为N，则Fout=（Fclk*Fword）/2^N。我们可以通过设置不同频率控制字Fword大小来调节输出的正弦波频率。

相位控制字：相位控制字也叫相位字，就是输出信号的初始相位角，默认情况下相位角是从0开的，但如果我们想让相位角从90°开始，就写入一个相位偏移值，这相位偏移值就是相位字.

4、AD9833介绍

　　AD9833是一个完全集成的直接数字频率合成(DDS)芯片。该芯片需要一个参考时钟、一个精密低电阻和八个去耦电容，以用数字方式产生高达37.5 MHz的正弦波。除产生这个RF信号之外，该芯片还完全能支持各种简单和复杂的调制方案。这些调制方案完全在数字域内实现，使得可以使用DSP技术精确而轻松地实现复杂的调制算法。

AD9833的内部电路包含以下主要部分：数控振荡器(NCO)、频率和相位调制器、 SIN ROM、 DAC、比较器以及稳压器。
　　

　　数控振荡器和相位调制器

　　该子电路由两个频率选择寄存器、一个相位累加器、两个相位偏移寄存器和一个相位偏移加法器组成。

　　NCO的主要元件是一个28位相位累加器。

　　连续时间信号的相位范围为0 至2 π。在此数值范围之外，正弦函数以周期方式不断重复。

　　数字实现并无差别。累加器只是将相位数值范围扩大至多位数字字。

　　AD9833中的相位累加器利用28位来实现。因此，在AD9833中， 2π 最多可以分成 2^28份。

　　同样， $\Delta REG$ 项也会扩大至此数值范围： 0 < $\Delta REG$ < 2^28

　　将这些代入前面的公式可得： $f = f_{MCLK} * \Delta REG/2^{28}$

$\Delta REG$ 的最小值是1，因为数字寄存器里面最小的增量就是1，当 $\Delta REG$ 最小的时候，频率的分频率最大，为 $f_{MCLK} /2^{28}$ 。

如果 $f_{MCLK}$ = 1MHz，那么频率分辨率就是1M/2^28 = 0.0037Hz（手册上写的0.004Hz）；

如果 $f_{MCLK}$ = 5MHz,那么频率分辨率就是5M/2^28 = 0.0186Hz；

如果 $f_{MCLK}$ = 10MHz，那么频率分辨率就是10M/2^28 = 0.0371Hz；

如果 $f_{MCLK}$ = 25MHz，那么频率分辨率就是25M/2^28 = 0.093Hz（手册上写的0.1Hz）；

可见DDS器件的工作频率越高，输出信号的频率分辨率越低。

相位累加器的输入可以从FREQ0寄存器或FREQ1寄存器进行选择并由FSELECT引脚或FSEL bit控制。

　　NCO本身会产生连续相位信号，因此在频率之间切换时应避免出现任何输出不连续。

SIN ROM

　　要使用NCO的输出，必须先将其从相位信息转换成正弦数值。　　

　　数字相位信息用作查找表的地址并将相位信息转换成幅度。

5、AD9833编程

本示例的目的是使用MCLK=1MHz的AD9833产生1kHz输出频率。

结合公式 $f = f_{MCLK} * \Delta REG/2^{28}$ ， $\Delta REG$ 就是需要写入频率寄存器中的值FreqReg $FreqReg=\Delta REG=F_{out} * 2^{28}/ f_{MCLK}$

本实例DDS器件的工作频率为1MHz，要输出频率为1000Hz的正弦波：

FreqReg = 1000Hz * 2^28 / 1MHz = 268435.456 = 268435 = 0x41893;

用C语言实现可以是这样的：

float temp = (float)(1<<28)/FMCLK;
CurFreqReg = (u32)(Frequency * temp); //CurFreqReg就是要设置的频率寄存器的值

要想控制AD9833，就得了解他的控制寄存器CONTROL REGISTER。

AD9833可以通过SPI总线来控制，控制位是在时钟 $f_{MCLK}$ 的下降沿采样，所以SPI通讯的配置要注意极性。

控制AD9833主要就是控制频率和相位。

控制寄存器介绍

AD9833的控制寄存器一共有16位，

写着0的表示这些位不能用，比如DB15、DB14、DB9、DB4、DB2、DB0都是不用的位。

BIT13：B28，与28位频率寄存器相关

BIT12：HLB，把28位频率寄存器看成两个独立的14位寄存器，HLB就是控制往哪个寄存器写数据，是低14位还是高14位

如果让B28 = 1，那么这个28位的频率寄存器的值需要两次连续的写数据，第一次把低14位（14 LSB）的数据写入，第二次把高14位（14 MSB）的数据写入；需要等两次都成功写入之后，数据才生效。

如果让B28 = 0，那么这个28位的频率寄存器可以看成两个独立的14位寄存器，可以单独的写低14位的数据，或者高14位的数据；但这个操作需要BIT12：HLB的配合才能完成，HLB = 1，表示独立写高14位的数据，HLB=0，表示独立写低14位的数据。

这里还有一个问题，不管寄存器的高14位和低14位是否独立，我们写数据都是14位的，这怎么写？一个字节8位，两个字节就是16位，多余的2bit怎么办？放心，有安排，每次写数据的时候，除了那14位的数据，前面的2bit用来表示往那个频率寄存器里面写数据，AD9833和AD9834都是有两个频率寄存器的FREQ0和FREQ1。

比如，把28位寄存器不分开，那就需要连续写两条数据，先写低14位的数据，再写高14位的数据。比如把数据0xFFFC000写到FREQ0

1、先写0x2000命令（仅仅是为了把BIT13，也就是B28设置为1）；

2、再写数据0x4000（把数据0xFFFC000的低14位写到FREQ0），

0x4000 = 0100 0000 0000 0000,共16bit，前面两个bit01表示把数据写到FREQ0，后面的14bit才是数据；

3、接着写数据0x3FFF（把数据0xFFFC000的高14位写到FREQ0），

0x3FFF = 0111 1111 1111 1111,共16bit，前面两个bit01表示把数据写到FREQ0，后面的14bit才是数据。

BIT11：FSELECT，频率寄存器选择，选择哪个频率寄存器用于相位累加器。

BIT10：PSELECT，相位寄存器选择，选择哪个相位寄存器用于相位累加器

BIT8：RESET=1，复位，内部寄存器复位为0，模拟输出为中量程。

复位是将某些寄存器的值设置为0；

模拟输出设置位中量程；

复位对相位、频率、控制寄存器不起作用；

当AD9833上电之后，就需要复位；

复位之后，等待8个MCLK时钟周期，DAC将有信号输出；

复位AD9833

void AD9833_Reset(void)
{
	write_ad9833_d16(0x0100); //复位AD9833
}

往AD9833里写数据

void write_ad9833_d16(u16 word)
{
	u8 TempBuf[2];
	XSpiPs_SetSlaveSelect(&SpiInstance_dds, SLAVE_SELECT_1);

	TempBuf[0] = (word)>>8;
	TempBuf[1] = (word)&0xff;

	XSpiPs_Write(&SpiInstance_dds, TempBuf, RecvBuffer, 2);
}

设置输出频率

void AD9833_SetFreqValue(float Frequency)
{
	// 通过改变频率字来改变频率
	float temp = (float)(1<<28)/FMCLK;
	CurFreqReg=(u32)(Frequency * temp);
}

把参数写进AD9833

void AD9833_SetWaveData(void)
{
	u16 FRQLW = 0;    // MSB 频率字的低14位
	u16 FRQHW = 0;    // LSB 频率字的高14位

	float temp = (float)FMCLK/(1<<28);
	float freq = (float)CurFreqReg * temp;

	printf("The Current Freq is: %.4f Hz\n",freq); //打印当前频率

	FRQHW=(int)((CurFreqReg & 0xFFFC000) >> 14); // 获取频率字的高14位数据
	FRQLW=(int)(CurFreqReg & 0x3FFF);  // 获取频率字的低14位数据
	FRQLW |= 0x4000; //14位数据前面添加两位，01，表示频率寄存器0, 10表示频率寄存器1
	FRQHW |= 0x4000;

	write_ad9833_d16(0x2000); //选择数据一次写入
	write_ad9833_d16(FRQLW); //L14，先写低14位的数据，器件就是这么规定的
	write_ad9833_d16(FRQHW); //H14，再写高14位的数据
	write_ad9833_d16(0x2000); //芯片进入工作状态,寄存器频率0输出1KHz波形
	//write_ad9833_d16(0x2028); // 输出方波
}

到这里AD9833和AD9834就可以用起来了，后面有机会再继续深入展开，也欢迎有兴趣的伙伴一起来探讨做一些小产品。