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[導(dǎo)讀]介紹了DDS技術(shù)的原理和特性,采用DDS芯片AD9833產(chǎn)生正弦波音階信號構(gòu)建音源發(fā)生器,給出了主要電路和關(guān)鍵程序。

在2008年浙江省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中,有一個(gè)題目是“音樂演奏器設(shè)計(jì)”,要求用12個(gè)鍵盤演奏音樂,其中有一個(gè)關(guān)于音階的技術(shù)指標(biāo)要求頻率誤差小于±0.1%。本題目的關(guān)鍵在于產(chǎn)生一個(gè)高精度的音源。一般采用的單片機(jī)定時(shí)器中斷產(chǎn)生信號的方法勉強(qiáng)能達(dá)到這個(gè)要求。本題目有一個(gè)音階對應(yīng)頻率的附表,描述了各音階對應(yīng)頻率的精確值,如音階6頻率為739.99 Hz,采用51系列單片機(jī)定時(shí)器中斷方法無法達(dá)到該表數(shù)據(jù)所描述頻率精度要求。而采用DDS技術(shù),則能達(dá)到這一頻率精度的要求。與采用51單片機(jī)定時(shí)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(diǎn)外,產(chǎn)生的是正弦波,具有“純”音的特點(diǎn),聽覺效果較好。基于上述原因,采用DDS+MCU是實(shí)現(xiàn)音樂演奏器的一種較好設(shè)計(jì)方案。其技術(shù)核心為可控的音階的發(fā)生,構(gòu)成一個(gè)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(shí)用價(jià)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(shù)。DDS突破了以往頻率合成法的原理,從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shí)鐘,同步加法器按照主時(shí)鐘進(jìn)行同步加法運(yùn)算。同步加法器的一個(gè)加數(shù)是存儲于頻率字寄存器中的頻率字,另一個(gè)加數(shù)是同步加法器的上次加法運(yùn)算結(jié)果(和)。同步加法器的加法運(yùn)算結(jié)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(zhuǎn)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fMCLK=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(dāng)于進(jìn)行0~255(0x00~0xFF)的計(jì)數(shù)過程,該過程循環(huán)重復(fù),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(zhuǎn)換和LPF濾波后,輸出頻率為fMCLK/256的正弦波信號;當(dāng)頻率字FREQREG=2,則同步加法器相當(dāng)于進(jìn)行步長為2的0~255(0x00~0xFF)的累加過程,該過程的頻率為2×fMCLK/256,也就是輸出頻率為2×fMCLK/256的正弦波信號。
  由此類推,基本型DDS芯片的輸出頻率為:
  f0=fMCLK/28×FREQREG
    對于基本型DDS芯片,一般,主頻fMCLK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(jìn)行設(shè)置。
    DDS芯片的輸出頻率的變化間隔(分辨率)為fMCLK/28(當(dāng)同步加法器的位數(shù)是8時(shí))。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fMCLK/2。
    由于同步加法器結(jié)果是改變輸出波形的相位,在有關(guān)DDS芯片的資料中[1],該同步加法器通常稱為相位累加器。
    實(shí)際應(yīng)用時(shí),DDS的結(jié)構(gòu)會復(fù)雜得多,同步加法器的位數(shù)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)的(特別當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)AWG時(shí))。
    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(dāng)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(xué)生電子競賽均有涉及DDS芯片應(yīng)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(diào)節(jié)比較方便。采用28位的頻率寄存器,當(dāng)主頻時(shí)鐘為25 MHz時(shí),頻率分辨率為0.1 Hz;主頻時(shí)鐘為1 MHz時(shí),頻率分辨率可以達(dá)到0.004 Hz[2]。
    AD9833采用10個(gè)引腳的MSOP封裝形式,采用SPI接口進(jìn)行控制寄存器和頻率寄存器的設(shè)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(shè)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(shè)計(jì)
    AD9833芯片有3根串行接口線,與SPI、QSPI、MI-CROWIRE和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容,在串口時(shí)鐘SCLK的作用下,數(shù)據(jù)以16位的方式加載到設(shè)備上,其時(shí)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(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),F(xiàn)SYNC引腳必須置低。


   [!--empirenews.page--] 本設(shè)計(jì)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(shí)序,對AD9833芯片的各寄存器進(jìn)行設(shè)置。Y2是一個(gè)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(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲。


3 軟件實(shí)現(xiàn)
    本設(shè)計(jì)中,主頻時(shí)鐘采用4.194 304 MHz。輸出頻率計(jì)算如下:
   
式中,f0為輸出頻率,fMCLK為主頻(4.194 304 MHz),F(xiàn)REQREG為頻率寄存器設(shè)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(jì)算出各音階對應(yīng)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(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制部分采用匯編語言,主體部分則采用C語言進(jìn)行編程。程序主體部分調(diào)用時(shí)序控制部分時(shí),通過全局字節(jié)變量light_o和light_o1傳遞數(shù)據(jù)。
    時(shí)序控制部分程序通過模擬SPI接口時(shí)序,完成對DDS芯片內(nèi)部寄存器的設(shè)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(gè)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(jìn)行初始化。程序在主循環(huán)中運(yùn)行。主循環(huán)對有效按鍵進(jìn)行處理,對于有效琴鍵,調(diào)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(shè)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(shè)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(diào)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(shí)測,本音源發(fā)生器產(chǎn)生的各音階頻率與表1設(shè)計(jì)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(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲。
    通常不同樂器發(fā)音時(shí),均有不同特征的諧波。常規(guī)樂器難以實(shí)現(xiàn)只有主音、無諧波成分的音階,而通過本文DDS芯片設(shè)計(jì)的音源器,實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的無諧波成分的音階,有獨(dú)特的聽覺效果??勺鳛榛鶞?zhǔn)音階,用于各類樂器的校音。

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