试论基于单片机的DDS算法的实现

2019-12-23◆罗昕易群

网络安全技术与应用 2019年11期

◆罗昕易群

（江西交通职业技术学院江西 330013）

直接数字频率合成信号发生器凭借其高分辨率、低相位噪声以及稳定的输出效率，逐渐成为最常见的信号发生器。信号发生器功能取决于DDS算法，结合单片机使用DDS算法可以优化单片机性能，让单片机服务质量提升，推动我国各个行业的发展。因此，研究单片机和DDS算法的结合具有重要意义，有助于推动单片机的广泛应用，让单片机性能更加优化。

1 单片机

单片机作为一种集成电路，使用大规模集成电路将CPU、RAM、ROM、定时器等设备集成为微型计算机系统。目前单片机逐渐被各个领域应用，渗透到人们的日常生活中，在飞机仪表、导航装置、数据传输、工业自动化、网络通信等方面，单片机都发挥着重要作用。单片机开发应用给各个行业带来了巨大帮助。例如利用单片机功耗低、体积小的优势，让很多精密测量仪器，如电压表、分析仪提供精准数据。

如今直接数字频率合成信号发生器由于具有信号稳定、频率以及噪声低的优势逐渐替代RC、LC振荡电路信号发生器，变成信号发生器主流发展方向。DDS信号发生器核心设计在于应用DDS算法，最常见的方法有两种。第一种是利用FPGA形成DDS算法，也就是通过HDL进行DDS算法设计，形成波形数字的序列，通过FPGA输出转换器，从而让信号输出得以实现。第二种是使用DDS芯片，对单片机改用DDS芯片寄存器，输出同等波形和频率的模拟信号，芯片的算法在出厂时已经完成设计，不需要另行设计。本文着重研究利用单片机替代专用芯片，借助于C语言的编程方法实现DDS算法，让单片机可以实现信号发生器设计。

2 DDS基本原理

DDS是一种直接数字合成技术，通过相位累积查表，实现合成波形，在波形存储器中保存波形幅值数据，对频率控制进行调节，使用相位累加器在波形存储器内对频率加以控制，经过D/A转换器以及滤波器，形成波形的输出。如AD9850 DDS芯片，其单电源工作使用3.3V或者5V，接口简单，可以允许八位并行口或者串行口实现频率和调制数据的装载。使用高性能转换器和比较器，可以让正弦波、方波得到输出。芯片的最高工作时钟为125MHz，在该时钟下频率控制字可以达到0.0291Hz的分辨率。调相控制字为5位，让相位调制功能得到实现，频率转换速度可以达到2.3*107次/s。该芯片的功率较低，在两种电源下分别只有155mW、380mW。该芯片应用了DDS技术，芯片内部包含32位相位累加器、10位DA转换器、1个高速比较器，使芯片性能达到了实际要求。

3 基于单片机的DDS算法的实现

（1）设计要点

目前信号发生器存在一定问题，主要体现在频率范围相对较小，且调整频率只能成倍调整，无法进行连续输出。按键输入系统不能输出任意信号。为了让频率得到增加，需要减少定时器时间，溢出时间不能过小，要注意中断函数代码时间，减少频率包含两种方法，第一种是将中断溢出时间加以延长，第二种是给DAC输出数据，将数据写入DAC中。若采取第一种方法，调整频率需要调整两个参数，也就是步进值以及中断值。使用这种方法并不能实现精确调整频率，还需要调整一个参数实现精准的输出。为方便于计算经常设定固定中断溢出时间，参数调整使用步进值step。一般情况下要减少频率，进而让步进值有所减小，最小设定为1。调整步进值需要用到DDS原理，假设时钟是2MHz，寄存器设定N Bit，受到时钟的驱动，累加器的输出结果反馈给累加器输入端，数据逐渐累加。时钟脉冲被反馈向B，循环累积。按照步进值进行时钟的累加，让N Bit数据得到循环累积，完成地址的循环。

（2）C语言设计DDS算法

由于DDS算法基于相位进行频率合成，实现信号的生成。在DDS中，主要包括相位累加器、数模转换器、时钟、滤波器、正弦波形存储器这五个部分。相位累加器也就是计数器，由于时钟脉冲影响，让相位增量逐渐累加。若累加器溢出，溢出位除外，累加器会保留数字位。将输出数据作为地址，对正弦查询表加以查询，将正弦数据转化为模拟信号。低通滤波器可以将模拟信号输出为正弦波的信号。使用DDS算法主要利用相位累加器实现相加，输出得到0～（232-1），将后八位当作查询表地址，同时将正弦波数据在正弦表中保存，使用八位转换器，可以使用256个点得到完整正弦波数据。频率控制字决定输出信号频率。受到单片机运行影响，选择10KHz时钟频率。得到频率控制字后，想要获得输出频率只需要时钟频率和频率控制字相乘即可。

根据DDS算法的本质，考虑到不同时钟脉冲Felk作用，累加器要加1，查找正弦表获得波形数据，依照C语言编程特征，使用定时中断替代DDS时钟脉冲方式，时钟作用可以使用定时中断来实现。首先利用定时器设置初始化程序，要求100μs的中断，在中断程序中DDS算法得以实现。Felk设定10KHz的数值。受到单片机速度极限的限制，周期设置不能过于短，避免造成输出信号频率受到影响。使用高速CPU，利用短定时周期，可以让输出信号频率得到提升。其次需要对相位累加器加以设置，先设置32位寄存器，使用加法进行运算，定时中断要将频率控制字和累加器进行相加，同时将结果储存在累加器中。最后设置正弦查询表，先对包含256数组的数据表进行储存，用于设定正弦数据表的存放。若出现定时中断，将累加器后八位当作索引，以方便读取数据。

（3）低通滤波器设计

为了避免输出频率受到外界环境的干扰，要使用低通滤波器进行过滤。常见滤波器使用频率响应有巴特沃斯型、椭圆型以及切比雪夫型三种。巴特沃斯型滤波器通带最为平整，没有纹波，在零频位置上，对于信号造成的衰减最不明显，但是由于过渡带并不陡峭，对于通带要求相对高，适用于去除和通带距离较远频率；切比雪夫滤波器在通带衰减上存在起伏变化，但过渡带较为陡峭；椭圆滤波器通带存在起伏，但是过渡带相对陡峭。因此通常选择椭圆滤波器进行设计。

（4）软件设计

应用系统中，软件设计建立在硬件电路基础上，依据系统功能满足系统多种需求，软件设计可以让微控制器得到充分发挥，让仪器精度以及便捷性得到优化。经过程序设定频率，有效控制频率，对用户键盘频率设定，判断频率是否处于范围之内，形成频率控制字，使用并行方式送进DDS，合成用户需要的频率。单片机具备中断功能，根据中断方式对键进行判断，消抖之后使用扫描方式确定闭合键，中断之后产生MSP430唤醒。定义按键为功能键或数字键，选择输出波形，正弦波用于扩充功能，使用数字键输入频率。