基于FPGA的DDS设计_fpga dds

1. 简介

        DDS（direct digital synthesizer），直接数字合成器，实现快速频率切换，容易实现频率、相位、幅度的数控调制。DDS在通信领域应用尤为广泛。

2.DDS原理

        

                                                           图2.1 基本DDS结构

        

        基本公式： 

         是输出信号频率，是相位增量，为时钟频率，N是相位累加器的数据位宽，也是频率输入字的数据位宽。

        下面采用更形象的方式理解这个公式。

                                                        图2.1 32个采样点的正弦波形

        

        

        假设=1，即=1000

        （1）若取点间隔为1，输出频率？

        要输出整个正弦波需要32ms（），则

        （2）若取点间隔为2，输出频率？

        ，则

        （3）若取点间隔为0.5（同一个值取样两次），输出频率？

        ，则

        

        由上面分析和规律，清晰得到基本公式。

        又称频率控制字（在上述形象的分析中，为取点间隔，也就是增量），也是相位增量。只要对相位的量化值进行简单的累加运算，就可以得到正弦信号当前的相位值。相位累加器是整个DDS的核心。在图2.1中，频率控制字输入还经过了一组同步寄存器（将频率控制字延迟一拍），使得频率控制字改变时不会干扰相位累加器正常工作。

        波形数据表ROM完成相位-幅度的转换，图2.1中相位累加寄存器和相位控制字相加后作为ROM的地址。

3.Verilog代码

module DDS_Module(
	Clk,
	Reset_n,
	Fword,//频率控制字
	Pword,//相位控制字
	Data
    );
	
	input Clk;
	input Reset_n;
	input [31:0]Fword;
	input [11:0]Pword;
	output [13:0]Data;
	
	//频率控制字同步寄存器
	reg [31:0]Fword_r;
	always@(posedge Clk	)
	begin
		Fword_r <= Fword;
	end
	//
	
	//相位控制字同步寄存器
	reg [11:0]Pword_r;
	always@(posedge Clk	)
	begin
		Pword_r <= Pword;
	end
	//
	
	//相位累加器
	reg [31:0]Freq_ACC;
	always@(posedge Clk or negedge Reset_n)
	begin
		if(!Reset_n)
			Freq_ACC <= 0;
		else
			Freq_ACC <= Fword_r + Freq_ACC;
	end
	/
	
	
	//波形数据表地址
	wire [11:0]Rom_Addr;
	assign Rom_Addr = Freq_ACC[31:20] + Pword_r;
	
	rom rom_inst1(
		  .clka(Clk),
		  .addra(Rom_Addr),
		  .douta(Data)
		);
	
endmodule

注意：相位累加器的高12位与相位控制字（Pword）相加作为ROM的地址。

rom数据宽度为14位，深度为4096（12位），用来存放正弦波数据。

4.testbench

`timescale 1ns / 1ps
module DDS_Module_tb(
 
    );
	
	reg Clk;
	reg Reset_n;
	reg [31:0]FwordA,FwordB	;
	reg [11:0]PwordA,PwordB;
	wire [13:0]DataA,DataB;
	DDS_Module DDS_Module_inst0(
	Clk,
	Reset_n,
	FwordA,//频率控制字
	PwordA,//相位控制字
	DataA
    );
	
	DDS_Module DDS_Module_inst1(
	Clk,
	Reset_n,
	FwordB,//频率控制字
	PwordB,//相位控制字
	DataB
    );
	
	initial Clk = 1;
	always #10 Clk = ~Clk;
	
	initial begin
		Reset_n = 0;
		FwordA = 65536;
		PwordA = 0;
		FwordB = 65536;
		PwordB = 1024;
		#201;
		Reset_n = 1;
		#5000000;
		FwordA = 65536 * 1024;
		FwordB = 65536 * 1024;
		PwordA = 0;
		PwordB = 2048;
		#1000000;
		$stop;
	end
endmodule

5.仿真波形、

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        输出频率验证：测量仿真正弦波的周期，计算输出频率；与用公式计算出的输出频率比较。若相等，则设计正确。

        输出相位验证：ROM深度为4096，图中PwordB=1024，理论上DataB的相位为90度。从图中可以看出DataB的相位确实为90度，所以设计正确。