DDS芯片AD9833实现简单的波形发生器

大家好，我是学电子的小白白，今天带大家了解一款波形发生器芯片——AD9833。

AD9833是AD公司出品的一款DDS波形发生器，能够产生正弦波、三角波和方波输出。

1）什么是DDS

通俗来讲，DDS是一种把波形预先存储在芯片内部的DAC，只要设置好它的工作频率，就能按这个频率来输出特定的波形。

DDS内部主要分成3部分：相位累加器、相位幅度转换、数模转换器(即DAC)。

相位累加器：

一个周期信号的波形，它的相位是均匀增加的，比如1Hz的正弦波，每1/360秒相位增加1°，增加到360°时又回到0°。相位累加器就是一个不断累加产生相位值的计数器，周期性地累加、清零。

相位累加器的位数决定了把一个周期分为多少等分，位数越高，则分得越细，一个周期内的点数也越多，输出波形在时间尺度上就会越精细。

相位幅度转换

相位幅度转换其实就是已经存储的波形表，比如我们想输出正弦波的波形时，相位累加器输出的相位是30°，则通过查表，输出sin(30°)的值，就完成了相位幅度转换。

DAC输出

有了幅度值，再通过DAC输出，就得到了当前时刻的波形值。这个就不多解释了，和通用的DAC一个意思。这里的DAC也是有位数的，位数越高，产生的波形幅度就越精细。

2）DDS芯片AD9833的特性

AD9833是AD公司出品的一款DDS波形发生器，它的主要参数如下：

能产生正弦波、三角波和方波的输出；

28位的相位累加器，也就是主频时钟为25MHz时，可实现0.1Hz的分辨率；主频时钟为1MHz时，可实现0.004Hz的分辨率；

10位的DAC输出；输出正弦波和三角波时波形幅度为38mV~650mV，输出方波时幅度最大为3.3V。

采用SPI接口，只作为SPI的从机。

这里需要说明一下，AD9833的输出波形频率，最高可达12.5MHz。这个12.5MHz是怎么来的呢？

因为AD9833的输入时钟频率最高是25MHz，由于奈奎斯特采样定律的限制，输出波形的每个周期内至少要2个点才能还原出信号，所以，25MHz/2 = 12.5MHz，是这么来的。

但是，这里要特别注意一下，奈奎斯特采样定理使用的条件，它描述的是波形中所含正弦波的最高频率。

因此，如果我们想让它输出12.5MHz的正弦波是可行的，一个周期内两个点的波形，再加上后端的低通滤波器就能实现；输出方波也是可行的，因为方波只有高、低电平的变化，输出不加任何滤波就是方波；而想要输出三角波，就不可能了，一个周期中只输出两个点，怎么都不可能形成三角波的图形，要想输出三角波，只能降低频率，让一个周期内的点数增加，才能输出类似三角波的波形。

3）使用stm32驱动AD9833输出

AD公司官方给出了一套驱动AD9833的代码，但是它的代码结构比较复杂，而且它为了兼容同系列的其他DDS芯片里面有很多冗余的部分，我们不使用官方的代码（有兴趣研究官方代码的可以关注我的公众号找到下载地址）。

这里我们自己来实现AD9833的驱动代码，使用的硬件平台是stm32单片机。

AD9833连接到SPI2接口上，使用PA8作为片选信号。

首先看AD9833的SPI接口时序：

它只有MOSI数据，所以数据只有主机到从机的，而且要注意是在时钟下降沿取数的，每次传输16bit。

在cubemx里建立工程，主要的参数设置下面几项：

使能SPI2，设置为全双工主机（半双工主机也可以，因为数据线只有一根MOSI）；时钟初始为高、第一个跳变沿取数；

PA8设置为输出，作为AD9833的片选信号；

然后生成工程，在keil中打开后就可以编写代码了。

AD9833的寄存器比较简单，一共就三个：控制寄存器、频率寄存器、相位寄存器。

其中，控制寄存器用于设置波形、是否输出、是否低功耗等等一些控制量。频率、相位寄存器都有两个，由控制寄存器中的FSELEC、PSELECT位来选择使用哪一个。

这里我们尝试把常用的几个功能封装的函数中，其他一些细节功能的可以参见AD9833的数据手册。

首先是定义片选的拉高、拉低函数，使用的PA8：

接着是初始化函数，由于cubemx生成的代码已经把spi接口初始化好了，所以这里我们只需要把片选线拉高就可以了：

AD9833的读写函数，我们使用HAL库的spi函数实现，由于AD9833每次传输16bit，先传高位，所以我们每次传输2字节就可以了，先传高字节；当然在传输前后，要加上片选的拉低、拉高：

设置AD9833控制寄存器的函数，这里只实现了常用的几个位：RESET、SLEEP、OPBITEN、MODE这几个bit的设置：

如果想实现其他bit位的改写，也很容易。

最后是设置频率的函数：

注意这个函数设置完频率之后， AD9833_Write(0x2100);这句把输出关闭了，是没有输出的，需要再调用一下设置AD9833控制寄存器的函数才能设置输出。

以上就把AD9833的一些驱动函数编写完了，在主函数中写一个测试程序：

主要功能是在初始化之后，主循环之前，设置1MHz正弦波，延时10s输出：

将代码下载到单片机运行，可以检测到上电10s后，AD9833的10脚out上输出1MHz正弦波。

如果想要输出三角波、矩形波，只要更改AD9833_CtrlSet函数的输入值即可。

另外特别提醒一下，使用模块来搭电路时，要注意避坑，我选用的模块是下面这种：

原理图如下：

在AD9833的输出增加了一个数字电位器MCP41010和运放AD8051进行输出波形幅度的调节。

但是，这个模块的设计是有问题的，主要在于MCP41010数字电位器的带宽不够！会造成输出频率较高时，波形幅度大幅减小，完全起不到调节波形幅度的作用。

如下图是MCP41010的增益随频率的变化曲线，可以看到，频率到1MHz以上时，衰减会变得很明显，频率越高衰减越大：

所以在频率比较高的时候，这种模块是不适用的。

好了，本节关于DDS波形发生器AD9833的使用就讲到这里了。

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