AD9833型高精度可编程波形发生器及其应用

摘要：AD9833型可编程波形发生器是一款为各种需要得到高精度正弦波、三角波、方波信号的应用而设计的器件，该器件采用第三代频率合成技术——直接数字频率合成技术，以“相位”的概念进行频率合成，不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波彤的初始相位，还可以产生三角波和方波。主要介绍AD9833的基本结构、功能特性及应用。
关键词：AD9833；直接数字频率合成；可编程；数字信号处理器

1 引言
    AD9833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、方波输出。波形发生器广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域。AD9833无需外接元件，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。
    可以通过3个串行接口将数据写入AD9833，这3个串口的最高工作频率可以达到40NHz，易于与DSP和各种主流微控制器兼容。AD9833的工作电压范围为2.3 V~5.5 V。
    AD9833还具有休眠功能，可使没被使用的部分休眠，减少该部分的电流损耗。例如，若利用AD9833输出作为时钟源，就可以让DAC休眠，以减小功耗。该电路采用10引脚MSOP型表面贴片封装，体积很小。
    AD9833的主要特点如下：
    频率和相位可数字编程；
    工作电压为3 V时，功耗仅为20mW；
    输出频率范围为0 MHz~12.5 MHz；
    频率寄存器为28位(在25 MHz的参考时钟下，精度为0.1 Hz)；
    可选择正弦波、三角波、方波输出；
    无需外接元件；
    3线SPI接口；
    温度范围为-40℃~+105℃。

2 AD9833的结构及功能
2.1 电路结构
    AD9833是一块完全集成的DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)电路，仅需要1个外部参考时钟、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。除了产生射频信号外，该电路还广泛应用于各种调制解调方案，这些方案全都用在数字领域。采用DSP技术能够把复杂的调制解调算法简单化，而且很精确。
    AD9833的内部电路主要有数控振荡器(NCO)、频率和相位调节器、Sine 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，每来1个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加后输入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，驱动DAC输出模拟量。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。输出正弦波频率为：

   
    其中，M为频率控制字，由外部编程给定，其范围为0≤M≤228-1。

    VDD引脚为AD9833的模拟部分和数字部分供电，供电电压为2.3 V~5.5 V。AD9833内部数字电路工作电压为2.5 V，其板上的电压调整节器可以从VDD产生2.5 V稳定电压。注意：若VDD小于等于2.7 V，引脚CAP/2.5V应直接连接至VDD。
2.2 功能描述
    AD9833有3根串行接口线，与SPI、QSPI、MI-CROWIRE和DSP接口标准兼容。在串口时钟SCLK的作用下，数据是以16位的方式加载到设备上。时序图如图3所示。FSYNC引脚是使能引脚，电平触发方式，低电平有效。进行串行数据传输时，FSYNC引脚必须置低，要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立时间t7的最小值。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，但要注意在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的数据保持时间t8的最小和最大值。当然，也可以在FSYNC为低电平的时候，连续加载多个16位数据，仅在最后一个数据的第16个SCLK的下降沿的时将FSYNC置高。最后要注意的是，写数据时SCLK时钟为高低电平脉冲，但是，在FSYNC刚开始变为低时(即将开始写数据时)，SCLK必须为高电平(注意t11这个参数)。

    当AD9833初始化时，为了避免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O后的8~9个MCLK时钟周期可在DAC的输出端观察到波形。
    AD9833写入数据到输出端得到响应，中间有一定的响应时间。每次给频率或相位寄存器加载新的数据，都会有7~8个MCLK时钟周期的延时之后，输出端的波形才会产生改变。有1个MCLK时钟周期的不确定性，因为数据加载到目的寄存器时，MCLK的上升沿位置不确定。

3 AD9833的引脚功能及时序
    AD9833的引脚排列如图2所示，各个引脚的功能描述见表1。

    AD9833的时序特性如图3、图4和表2所示。

4 AD9833的内部寄存器功能
    AD9833内部有5个可编程寄存器，其中包括1个16位控制寄存器，2个28位频率寄存器和2个12位相位寄存器。
4.1 控制寄存器
    AD9833中的16位控制寄存器供用户设置所需的功能。除模式选择位外，其他所有控制位均在内部时钟MCLK的下沿被AD9833读取并动作。表3给出控制寄存器各位的功能。要更改AD9833控制寄存器的内容，D15和D14位必须均为0。

4.2 频率寄存器和相位寄存器
    AD9833包含2个频率寄存器和2个相位寄存器，其模拟输出为

   
    其中：FREQEG为所选频率寄存器中的频率字；该信号会被移相：

   
    其中，PHASEREG为所选相位寄存器中的相位字。
    频率和相位寄存器的操作如表4所示。

5 应用设计
    AD9833可应用在Ll5型飞机控制盒配套的检测盒中，利用AD9833产生频率可调的正弦波，以模拟机轮速度传感器的速度信号，从而对控制盒的刹车防滑通道能否正常的刹车防滑进行检测。
5.1 AD9833的硬件电路连接
    检测盒设计以TI公司的TMS320LF2407A型DSP作为核心控制器，应用中需要2路速度信号，因此需要检测盒给出2路可独立调节的频率，图5示出TMS320LF2407A与AD9833的硬件连接。

    外接有源晶体振荡器的输出送给2个AD9833作为主频时钟，DSP的SPI口采用主动工作方式，即用SPISIMO口发送数据。为了与AD9833的时序相配合，DSP的接口时钟(SPICLK信号)方式选择有延时的下降沿。IOPC3和IOPC5作为电路选通信号，IOPC3为低电平时U2被选通，此时对U1写数据无效；同理，IOPC53为低电平时U1被选通，此时对U2写数据无效。
5.2 软件程序
    图6示出了AD9833的软件流程。
    不论是写控制寄存器、频率寄存器还是相位寄存器，在写数据之前都需要把选通信号置为有效状态，这样写入的数据才会有效，否则无效。在DSP发送完1个数据字后将产生SPI中断请求，本设计中未使用中断方式，而是通过查询中断标志来跳出，并虚读DSP的接收缓冲器清除中断标志。