中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 DDS 芯片 AD9833 的信号发生器设计 张积亮，刘思久* （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001） 摘要：本文详细介绍了 DDS 芯片 AD9833 的原理和结构，并设计了一种基于 AD9833 的结构简 单、性能优良的信号发生器。该系统以 Silicon Labs 公司推出的 C8051F320 单片机为控制 核心，利用本文开发的配套软件程序可以方便地对输出信号的相位和频率进行调节，同时通 过后级放大电路调节其输出信号幅值。实验表明该系统能够稳定地产生正弦波、三角波和方 波三种周期性波形，频率输出范围可达 0.1～2MHz，控制方便，实用性较强。 关键词：信号发生器；AD9833；C8051F320； 中图分类号：TM92 Design of Signal Generator Based on AD9833 DDS Chip (School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology, Zhang Jiliang, Liu Sijiu Haerbin 150001) Abstract: This paper introduces the principle and structure of DDS chip AD9833, and designs a simple structure and excellent performance of the signal generator based on AD9833. The system with C8051F320 MCU launched by Silicon Labs company as control core, using the supporting software program developed in this paper can easily be on the output signal phase and frequency adjustment, and adjusting the output signal amplitude by after-class amplifier circuit. Experiments show that the system can generate stable sine wave, triangle wave and square wave of three periodic waveform, frequency output range up to 0.1 ~ 2MHz, easy to control, applied widely. Keywords: Signal generator;AD9833;C8051F320 0 引言 直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis，简称 DDS）器与传统的频率合成器相比， DDS 方式具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点[1]，是实现设备全数字化的 一个重要组成技术[2]。 本系统中 DDS 芯片选择的是 AD9833。它是 ADI 公司生产的一款低功耗、可编程波形 发生器，能够产生正弦波、三角波和方波输出。外部电路仅需要 1 个参考时钟、1 个低精度 电阻器和一些解耦电容器就能产生高达 12.5 MHz 的正弦波。输出频率和相位都可通过软件 编程，易于调节。频率寄存器是 28 位的，主频时钟为 25 MHz 时，精度为 0.1 Hz；主频时 钟为 1 MHz 时，精度可以达到 0.004 Hz。温度范围为-40℃～+105℃。芯片采用 10 引脚 MSOP 型表面贴片封装，体积很小[3]。 1 AD9833 的基本原理 AD9833 的内部电路主要有相位累加器、频率和相位调节器、正弦只读存储器（SIN ROM）、数模转换器（DAC）、电压调整器，其功能框图如图 1 所示。AD9833 的核心是 28 位的相位累加器，它由加法器和相位寄存器组成。 AD9833 的基本结构原理如图 2 所示。其中 M 为频率控制字、fMCLK 为时钟频率，相位 累加器在时钟 fMCLK 的控制下以步长 M 作累加，相位寄存器的输出与相位控制字相加后输入 作者简介：张积亮（1985-），男， 硕士，电力电子. E-mail: zjl6051@163.com - 1 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 到正弦查询表地址中。正弦查询表包含 1 个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦 波中 0°~360°范围内的 1 个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字 量信号 S(n)，经 D/A 转化器变成阶梯波 S(t)，再经低通滤波器平滑后就可得到合成的信号波 形。相位寄存器每经过 228/M 个 MCLK 时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个 循环回到初始位置，这样就输出了一个正弦波[4]。 MCLK AGND DGND VDD CAP/2.5V AVDD /DVDD 调整器 2.5v 板上参考 全程控制 COMP 频率0 REG 频率1 REG MUX 相位累加器 （28位） ∑ SIN ROM MUX 10位DAC MUX 相位0 REG 相位1 REG 控制寄存器 串行接口及控制逻辑 FSYNC SCLK SDATA MSB MUX 1/2 200O VOUT 图1 AD9833内部功能框图 Fig.1 Internal function block diagram of AD9833 图2 AD9833基本结构原理图 Fig.2 Basic schematic diagram of AD9833 AD9833 芯片有 1 个 16 位的控制寄存器、2 个独立的 28 位频率设置寄存器和 2 个 12 位 相位设置寄存器。控制寄存器控制 AD9833 的复位操作、输出类型（正弦波、三角波等）、 频率、相位寄存器选择以及休眠与激活状态等。频率寄存器组有 28 个有效位，芯片输出信 号的频率则为输出正弦波频率为：fOUT=M(fMCLK/228)，其中，M 为存储到频率寄存器的频率 控制字，由外部编程给定，其范围为 0≤M≤228-1，fMCLK 为 AD9833 芯片所接晶振频率，也 称参考频率。输出正弦波的相位为：φ=2π×PHASEREG/212，其中 PHASEREG 是存入相位 寄存器的数值。输出正弦波的峰峰值固定，为 600 mV，且正弦波不是标准正弦波，即波谷 是 0 V，而不是负电压。因此，输出正弦波为： = K V [1 sin(2 ( π OUT 式中，K 为 600 mV。 + M f × × t / 2 28 + PHASEREG 12 / 2 ))] (1) MCLK 2 AD9833 硬件电路设计 采用 Silicon Labs 公司推出的完全集成的混合信号片上系统 C8051F320 来控制 AD9833， 单片机的 3 个 I/O 口和 AD9833 相连接。FSYNC(控制输入，低电平有效)与单片机的可编程 管脚 P0.7 连接，SCLK(串行时钟输入)与可编程管脚 P0.4 连接，SDATA(串行数据输入)与可 编程管脚 P0.5 连接。三个可编程管脚都可用软件编程实现数据的传送。硬件电路连接如图 3 所示，单片机产生控制信号和波形参数，通过串行接口将数据传送到 AD9833，经 AD9833 - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 输出的正弦波信号再经低通滤波后输出。由于 AD9833 不具备调幅的功能，因此在电路中加 入后级运算放大器对信号的幅值进行必要的调节和控制[5]。 INC U/LD 1 2 3 6 U2 X9C104 /INC U/LD VH VL Vw VCC /CS VSS 5 8 7 4 GND GND R4 1K VCC VCC 8 U3 TL062 4 GND 2 3 C5 0.01uF GND 1 SDA SCLK FSYNC 6 7 8 2 1 0.01uF C1 U1 SDATA SCLK FSYNC VDD AD9833 VOUT AGND DGND CAP COMP MCLK VCC VCC 4 1 Y1 VCC NC FRE GND 3 2 GND R1 1K R3 1K R5 1K 10 C2 470uF GND GND 9 4 3 5 C3 10uF C4 0.1uF GND GND 10M GND 图 3 AD9833 的外围电路原理图 Fig.3 The schematic of application circuit of AD9833 C6 470uF J2 out 1 2 GND R2 16K VCC 8 U3 4 GND 6 5 7 TL062 3 AD9833 软件设计 AD9833 采用 SPI 接口方式进行编程，便于使用单片机控制。这里采用 MOSI 主出从入 的工作模式，即单片机作为主器件控制 AD9833。SPI 接口的控制时序如图 4 所示。 图 4 SPI 接口的控制时序图 Fig.3 SPI time-sequence SCLK 为 1.2MHz 的 SPI 串行时钟，由单片机提供。在串口时钟的作用下，数据是以 16 位的方式加载到设备上。FSYNC 为使能引脚，电平触发方式为低电平有效。进行串行数据 传输时，FSYNC 引脚必须置低。FSYNC 置低后，在 16 个 SCLK 的下降沿数据被送到 AD9833 的输入移位寄存器，在第 16 个 SCLK 的下降沿 FSYNC 可以被置高。单片机写 16 位数据到 AD9833 时，高位在前，低位在后。用软件模拟时钟信号和片选信号[6]。 控制寄存器 相位寄存器0 相位寄存器1 频率寄存器0 频率寄存器1 B15 0 1 1 0 1 B14 0 1 1 1 0 表 1 AD9833 寄存器功能 Table 1 Registers of AD9833 B13 B12 B11~B0 14 CONTROL Bits 12 PHASE0 Bits 12 PHASE1 Bits 14 FREQUENCY0 Bits 14 FREQUENCY1 Bits 0 1 / / - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn AD9833 内的寄存器为 16 位，而 F320 为 8 位单片机，可将数据以两个字节为一个单位 进行发送，其中 bit15 与 bit14 为寄存器的标识位。AD9833 的寄存器如表 1 所示。 设置控制寄存器中的 D15D14=00，表示数据写入控制寄存器；设置 B28（D13）=1，表 示 28 位数据可以连续写入频率寄存器，默认先写入低 14 位频率字，再连续写入高 14 位频 率字到频率寄存器中；设置 B28（D13）=0，表示 28 位数据分两次写入频率寄存器，此时 配合 HLB 的值使用（当 HLB=1 时允许高 14 位频率字写入到频率寄存器，当 HLB=0 时允 许低 14 位频率字写入到频率寄存器）。因此写入到控制寄存器的数据可为：0010 0000 0000 0000，表示设置连续 28 位频率字。AD9833 数据写入流程如图 5 所示。 如果要输出 100Hz 的正弦信号，相位为 0°，则通过 SPI 输入数据依次为：0x2100，0x4A7C， 0x4000，0xC000，0x0000。其中 0x2100 设置控制寄存器，表示进入配置状态；0x4A7C 与 0x4000 表示在频率寄存器 0 中写入 0x0A7C（低位在前）；0xC000 表示在相位寄存器 0 中 写入 0x000；0x0000 表示输出使能，信号频率为频率寄存器 0 中存储的频率，相位为相位寄 存器 0 中存储的相位，输出信号为正弦波。 图 5 数据写入流程图 Fig.5 Write data flow diagram 由于 AD9833 片内有 2 个频率寄存器，即 FREQ0、FREQ1，因此要确定是将频率控制 字写入哪一个。这可通过设置 D15D14 的值来进行选择，当 D15D14=01 表示 14 位的频率 字将写入 FREQ0；当 D15D14=10 表示 14 位的频率字将写入 FREQ1。 AD9833 的主程序需要先对单片机 C8051F320 端口进行初始化，定义 AD9833 的 I/O 接 口及交叉开关，接着初始化 AD9833。当 AD9833 初始化时，为避免 DAC 产生虚假输出， RESET 必须置为 1（RESET 不会复位频率、相位和控制寄存器），直到配置完毕，需要输出 时才将 RESET 置为 0；RESET 为 0 后的 8-9 个 MCLK 时钟周期可在 DAC 的输出端观察到 波形。然后，写频率寄存器的控制字，输出所需要的波形。AD9833 初始化流程如图 6 所示， 主程序流程如图 7 所示。 - 4 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 开始 配置控制寄存器 RESET=1 写频率寄存器的 高字节、低字节 配置控制寄存器 RESET=0 结束 图6 AD9833初始化 图7 主程序流程图 Fig.5 Initialization of AD9833 Fig.5 Main program flowchart 4 结论 本文给出了所开发的基于 DDS 芯片 AD9833 的信号发生器，对其在不同频率下的输出 进行了测试，频率输出范围可达 0.1～2MHz，频率总稳定度在 10-3。实验结果表明，所设计 的信号发生器结构简单，控制方便，实用性较强。 [参考文献] (References) [1] 黄斌,洪嬴政等.基于 AD9833 的高精度可编程波形发生器系统设计[J].电子设计工程. 2009,17(5) [2] 郭豫荣.基于 DDS9833 的波形发生器设计[J].装备制造技术. 2009,9 [3] 肖伸平,窦颖艳等.基于 AD9833 信号发生器设计[J].机电产品开发与创新. 2008,21(2) [4] 覃晓,蒋荣萍.基于 DDS 芯片 AD9833 的低频信号发生器[J].大众科技. 2008,10 [5] 夏新凡,陈晓君等.正弦信号发生器的设计[J].电子设计工程. 2009,17(5) [6] 姜平,周根荣等.基于 AD9833 的多通道信号发生器设计[J].仪表技术与传感器. 2006,12 - 5 -