AD9910模块高速DDS模块、功能性能讲解、开发调试注意事项、代码详解、电子设计大赛DDS-Toy模板网

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AD9910模块高速DDS模块+STM32 驱动代码、功能性能讲解、开发调试注意事项、代码详解、电子设计大赛DDS

1.AD9910芯片概述与模块描述

AD9910是一款内置14 bit DAC的直接数字频率合成器(DDS),支持高达1GSPS的采样速率。AD9910采用高级DDS技术，在不牺牲性能的前提下可极大降低功耗。DDS/DAC组合构成数字可编程的高频模拟输出频率合成器，能够在高达400MHz的频率下生成频率捷变正弦波形。

用户可以访同三个用于控制DDS的信号控制参数，包括：频率、相位与幅度。AD9910利用32bit累加器提供快速跳频和频率调谐分辨率，在1GSPS采样速率下，调谐辨率为0.23Hz.这款DDS还实现了快速相位与幅度切换功能。

AD9910内置1k*32位RAM，可利用该RAM，通过RAM播放，实现任意波形发生功能。

AD9910内置数字斜坡发生器，可实现微秒级快速扫频。
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图1 芯片概述

2.AD9910模块硬件准备

使用的是康威电子的AD9910模块，淘宝店有卖的，如图
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图2 模块概述

模块硬件接口如下

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图3 硬件接口图

模块参数如下

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图4 参数表

笔者使用STM32F103对AD9910进行控制，这是我所用到的STM32控制管脚：
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图5 基于STM32F103的控制接口

3.代码讲解与测试参考

部分关键参数写在前：
相位累加器：在DDS模块中，此参数与DDS系统的主频共同决定了DDS能输出的频率分辨率。相位器累加器位数是一个非常重要的参数，所有的DDS芯片都一定会标出。
频率分辨率 = 主频 / (2^相位累加器位数)，如：

AD9854,主频300M，48位相位累加器，频率分辨率 = 300M Hz / (2^48) = 1.06e-06 Hz
AD9954,主频400M，32位相位累加器，频率分辨率 = 400M Hz / (2^32) = 0.0931 Hz
AD9910,主频1G， 32位相位累加器，频率分辨率 = 1G Hz / (2^32) = 0.2328 Hz

(这就是AD9910数据手册首页频率分辨率的由来,细心的小伙伴可能发现了，板子上只有40M晶振，1G主频哪来的，其实是芯片内部倍频来的，例如AD9910板子上是40M，只需要设置25倍频，就是1G了，其他例如AD9854，AD9954等DDS模块差不多都是这样的,板载频率低的晶振，经片内PLL倍频到数百M高频)

综上，如果我让AD9910(在1G主频下)，累加器每次自加1，就能输出0.23Hz频率；每次自加2，就能输出0.46Hz频率；自加10，就能输出2.3Hz频率，
以此类推，输出频率fout = 0.23Hz*自加值简单换算一下，自加值 = 输出频率 / 0.23，结合前面0.23的由来，DDS输出频率控制字的最终算法：
自加值 = 输出频率 / (主频/(2^累加器位数)) = Fout / (1G / (2^32)) = Fout/0.2328 = Fout * 4.294967296
其中，”自加值”在AD9910官方英文数据手册中，把它叫做频率调谐字(Frequency Tuning Word,在英文手册第50页)
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图6 频率幅度寄存器

图6

顺带一提，前面提到的25倍频，这个”25”在手册第49页，CFR3寄存器。(不一定设置成25，也可以自己设置成其他倍频数，一般什么时候需要呢？大概需要更低频率分辨率的时候吧，毕竟分辨率 = 主频 /(2^累加器位数))
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图7 PLL倍频数设置二进制001 1001 = 25

3.1 AD9910控幅函数+写频率函数

整个CFR3寄存器可配置为

const uchar cfr3[] = {0x05, 0x0F, 0x41, 0x32};  //cfr3控制字  25倍频  VC0=101   ICP=001;

将整个频率(及幅度，都在一个寄存器)控制寄存器定义如下：

uchar profile11[] = {0x3f, 0xff, 0x00, 0x00, 0x25, 0x09, 0x7b, 0x42};

其中profile11[0]和profile11[1]控制输出信号幅度，是14位控制字(参考图3)，故控幅函数可以如下写：
以下是AD9910模块由STM32F103RCT6单片机驱动的驱动代码:

/************************************************************
** 函数名称 ：void AD9910_AmpWrite(void))
** 函数功能 ：将幅度控制数据保存到profile11并写入芯片
** 入口参数 ：幅度控制字，范围0~16383
** 出口参数 ：无
** 函数说明 ：14位幅度控制字，控制数据0~16383对应输出幅度0~800mV左右
**************************************************************/
void AD9910_AmpWrite(uint16_t Amp)
{
    profile11[0] = (Amp % 16384) >> 8;
    profile11[1] = (Amp % 16384) & 0xff;
    Txfrc();
}

其中profile11[4]~profile11[7]控制输出信号频率，是32位控制字(参考图3)，故频率函数可以如下写：

/************************************************************
** 函数名称 ：void AD9910_FreWrite(void))
** 函数功能 ：将需要的频率转换为对应的控制数据，保存进profile11并发送到芯片
** 入口参数 ：目标频率，单位Hz，范围0~420000000
** 出口参数 ：无
** 函数说明 ：无
**************************************************************/
void AD9910_FreWrite(ulong Freq)
{
    ulong Temp;
    Temp = (ulong)Freq * 4.294967296;	 //将输入频率因子分为四个字节  主频1GHz，32位相位累加器，
    //故每Hz在的控制字增量 delta =  4.294967296 = (2^32)/1000000000
    profile11[7] = (uchar)Temp;
    profile11[6] = (uchar)(Temp >> 8);
    profile11[5] = (uchar)(Temp >> 16);
    profile11[4] = (uchar)(Temp >> 24);
    Txfrc();
}

当我们定义好函数后，按如下调用即可:

//代码移植建议
//1.修改头文件AD9910.H中，自己控制板实际需要使用哪些控制引脚。如UP_DAT脚改成PC3控制，则定义"#define UP_DAT PCout(3)" 
//2.修改C文件AD9910V1.C中，AD9110_IOInit函数，所有用到管脚的GPIO输出功能初始化
//3.完成
Init_AD9910();					//AD9910控制脚及寄存器初始化
AD9910_FreWrite(1000);	//写输出频率1KHz。范围：0~420000000，对应频率0Hz~420MHz
AD9910_AmpWrite(16383);	//写输出幅度最大。范围：0~16383对应峰峰值0mv~800mv(左右)

可以在AD9910模块两SMA输出口测得输出波形如下：
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图8.1 正弦1K双通道测试

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图8.2 正弦300M双通道实测

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图8.3 正弦420M双通道实测

发散一下，
前面我们控制了profile11[0],profile11[1]就控制了输出正弦的幅度，
控制profile11[4]~profile11[7],就控制了输出正弦的频率，
那么根据寄存器定义，我们控制profile11[2]，profile11[3]是不是就控制了输出正弦的相位呢。

3.2 AD9910RAM播放功能、三角波方波SINC波(任意波形)如何发生

AD9910三角波方波(任意波形)发生，是利用AD9910芯片内部的RAM(共1k大小，1024个数据)，通过向这块RAM写入自己定义的波形数据(如三角波)，然后使能AD9910芯片开始播放这些数据，任意波形自然就产生了。
将CFR1-Control Function Register 1 (0x00)寄存器的BIT30和BIT29配置为10(二进制)，告诉AD9910芯片，我写的RAM的数据是要播放到幅度上的，别放到频率相位什么其他的了。。。

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图9 RAM播放目的地寄存器

Tablle 12 (英文数据手册第33页),详细描述了RAM播放目的地的定义:
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图10 RAM播放目的位码定义

如图9及图10，但我们把CFR1寄存器的BIT6和BIT5设置为1 0(RAM播放的目的地是幅度控制，而不是其他比如相位什么的)。
设置好AD9910芯片内部RAM播放目的后，并写入RAM数据后，波形就有了，然后输出任意波形，除开波形外，频率控制也是个重要功能，频率可以通过寄存器RAM_Profile0来控制。
频率计算参考如下代码注释：

/************************************************************
** 函数名称 ：AD9910_RAM_WAVE_Set(AD9910_WAVE_ENUM wave)
** 函数功能 ：设置AD9910,RAM功能，向AD9910芯片内部RAM写入1024个点的波形数据，使模块可输出任意波形
							目前仅定义了三角波，方波，SINC波，三种波形数组
							用户也可自定义数组数据，使波形输出自己定义的任意波形(1024个数据，每个数据范围：0~16383)
** 入口参数 ：wave： TRIG_WAVE：三角波，SQUARE_WAVE：方波，SINC_WAVE：SINC波
** 出口参数 ：无
** 函数说明 ：RAM播放速率决定了输出波形的频率，输出频率与播放速率控制字参考以下说明
**************************************************************/
void AD9910_RAM_WAVE_Set(AD9910_WAVE_ENUM wave)
{
    int i;
    const u32 *srcWaveDta;
    u8 CFR1[] = {0x40, 0x40, 0x00, 0x00};	// RAM回放目的：幅度;;开启AD9910反Sinc滤波

//RAM_Profile0[1](高8位)  与  RAM_Profile0[2](低8位)共16位控制字M，决定了输出波形频率，
//频率 = Fsysclk / (4*M) / 输出点数 = 1000000000 / (4*M) / 1024
...
...
...
...
}

有一点需要特别注意的，如果各位小伙伴自己码代码的话，图10中最下面的一段话，数据低位是无效的(也就是32位寄存器，数据高位对齐)，写得时候记得一定要移位，
简单调用代码：

Init_AD9910();					//AD9910控制脚及寄存器初始化
AD9910_RAM_WAVE_Set(TRIG_WAVE);	//设置模块输出三角波TRIG_WAVE：三角波，SQUARE_WAVE：方波，SINC_WAVE：SINC波)

测得输出波形如下：
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图11 三角波实测

3.3 AD9910数字斜坡发生器实现快速扫频

对于DDS模块来说，扫频是一个常见的应用，AD9910芯片内部也集成了自动扫频功能，我们只需设置好参数(下限频率，上限频率，上扫频频率步进，下扫频频率步进，上扫频频点维持时间，下扫频频点维持时间)，模块即可按参数自动输出。

//设置数字斜坡频率扫频，并使能自动双向扫频
AD9910_DRG_FreInit_AutoSet(ENABLE);	//ENABLE,自动扫频，无需外加控制；DISABLE,手动扫频，由DRCTL引脚控制扫频

// 设置（下限频率，上限频率，上扫频频率步进，下扫频频率步进，上扫频频点维持时间，下扫频频点维持时间）
AD9910_DRG_FrePara_Set(100000, 100000000, 100, 100, 100,100);//慢速扫频，方便观察， 约800mS,扫频时间计算参考函数注解
AD9910_DRG_FrePara_Set(400000, 300000000, 1200000, 2200000, 100,300);//高速扫频，400K~300M,约263uS,扫频时间计算参考函数注解
//上扫频每点维持100个控制字时间，下扫频每点维持300个控制字时间，
//实际可以将该参数设置到更小，可以获得极高的扫描速度

扫频效果实测：
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图12 扫频实测

4.AD9910开发注意点

1、AD9910有两个输出通道，在3.1的最后，我们也说了AD9910可以实现调相功能，但这并不意味着两个输出通道的相对相位是可调的。实际上这两个通道相位差是固定的，180度，前面说的相位，是指正弦波开始输出时相位所在位置，比如从0度开始发生，80度开始发生等。

2、在3.2任意波形发生一节，图6 RAM播放目的地截图中可以看出，CFR1的BIT30和BIT29,设置为(二进制)10及11实际上都是可以实现幅度播放即任意波形输出的。经笔者实测，当设置为11 (二进制)Polar(phase and amplitude)模式时，相位设置得当可以得到更大的幅度输出，然而这并不好理解，
所以仅使用了10(二进制)(Amplitude)模式，这样波形数组中仅需存放14位DAC数据即可，使用和移植更便于理解。

3、上述功能都提供了比较详细的代码

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