FPGA之简易DDS信号发生器设计

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前言

设计一个能产生频率可变、相位可调的能产生正弦波、三角波、方波、锯齿波的信号发生器。

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一、DDS信号发生器

1.DDS是什么

DDS 是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写，是一项关键的数字化技术。与传统的频率合成器相比，DDS 具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。作为设计人员，我们习惯称它为信号发生器，一般用它产生正弦、锯齿、方波等不同波形或不同频率的信号波形，在电子设计和测试中得到广泛应用。

注：图片摘自《FPGA Verliog开发实战指南》
图中主要包括相位累加器、相位调制器、波形存储器、数模转换器四大结构。

2.DDS工作原理

频率字K，数值大小控制输出信号的频率大小，数值越大输出信号频率越高，反之越小。

相位字P，数值大小控制输出信号的相位偏移，主要用于相位的信号调制。

相位累加器输入为频率字输入K表示相位增量，设其位宽为N，满足等式K=2^N*fout/fclk，其在输入相位累加器之前，在系统时钟同步下做数据寄存，数据改变时不会干扰相位累加器的正常工作。

波形数据表 ROM 中存有一个完整周期的正弦波信号。假设波形数据 ROM 的地址位宽为 12 位，存储数据位宽为 8 位，即 ROM 有 212 = 4096 个存储空间，每个存储空间可存储 1字节数据。将一个周期的正弦波信号，沿横轴等间隔采样 212 = 4096 次，每次采集的信号幅度用 1 字节数据表示，最大值为 255，最小值为 0。将 4096 次采样结果按顺序写入 ROM的 4096 个存储单元，一个完整周期正弦波的数字幅度信号写入了波形数据表 ROM 中。波形数据表 ROM 以相位调制器传入的相位码为 ROM 读地址，将地址对应存储单元中的电压幅值数字量输出。

D/A 转 换 器 将 输 入 的 电 压 幅 值 数 字 量 转 换 为 模 拟 量 输 出 ， 就 得 到 输 出 信 号CLK_OUT。

输出信号 CLK_OUT 的信号频率 fOUT = K * fCLK / 2N。当 K = 1 时，可得 DDS 最小分辨率为：fOUT = fCLK / 2N，此时输出信号频率最低。根据采样定理，K 的最大值应小于 2N / 2。

相位累加器每计数 2N 次，对应一个正弦周期。而相位累加器 1 秒钟计数 fCLK次，在 k=1 时，DDS 输出的时钟频率就是频率分辨率。频率控制字 K 增加时，相位累加器溢出的频率增加，对应 DDS 输出信号 CLK_OUT 频率变为 K 倍的 DDS 频率分辨率。

DAC：自波形数据表 ROM 输出的波形数据传入 D/A 转换器转换为模拟信号。D/A 转换器即数/模转换器，简称 DAC（Digital to Analog Conver），是指将数字信号转换为模拟信号的电子元件或电路。

DAC使用外部挂载的高速AD/DA板卡。

二、模块代码

1.调用rom模块储存波形图

首先使用matlab产生四种波形的mif文件，深度为4096*4，matlab代码见另一篇文章。

2.按键控制模块

module key_ctrl(
	input wire clk,
	input wire rst_n,
	input wire [3:0]key,
	
	output reg [3:0]wave_select
);

	wire key0;
	wire key1;
	wire key2;
	wire key3;
	
	parameter	sin_wave=4'b0001,	//正弦波
					squ_wave=4'b0010,	//方波
					tri_wave=4'b0100,	//三角波
					saw_wave=4'b1000;	//锯齿波
	
	key_filter key_filter0(

		.clk(clk),
		.rst_n(rst_n),
		.key_in(key[0]),
		
		.key_flag(key0)
		
	);
	
		key_filter key_filter1(

		.clk(clk),
		.rst_n(rst_n),
		.key_in(key[1]),
		
		.key_flag(key1)
		
	);
	
		key_filter key_filter2(

		.clk(clk),
		.rst_n(rst_n),
		.key_in(key[2]),
		
		.key_flag(key2)
		
	);
	
		key_filter key_filter3(

		.clk(clk),
		.rst_n(rst_n),
		.key_in(key[3]),
		
		.key_flag(key3)
		
	);
	
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		wave_select<=4'b0000;
	else if(key0)
		wave_select<=sin_wave;
	else if(key1)
		wave_select<=squ_wave;
	else if(key2)
		wave_select<=tri_wave;
	else if(key3)
		wave_select<=saw_wave;
	else
		wave_select<=wave_select;

endmodule 
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按下四个按键分别生成四种波形

2.按键消抖模块

module key_filter
#(parameter CNT_MAX=999_999)
(

	input wire clk,
	input wire rst_n,
	input wire key_in,
	
	output reg key_flag
	
);
	
	reg [19:0]cnt_20;
	
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		cnt_20<=1'b0;
	else if(key_in==1'b1)
		cnt_20<=1'b0;
	else if(cnt_20==CNT_MAX &&  key_in==1'b0)
		cnt_20<=cnt_20;
	else
		cnt_20<=cnt_20+1'b1;
		
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		key_flag<=1'b0;
	else if(cnt_20==CNT_MAX-1'b1)
		key_flag<=1'b1;
	else 
		key_flag<=1'b0;
		
endmodule 
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3.DDS生成模块

module dds(
	input wire clk,
	input wire rst_n,
	input wire [3:0]wave_select,

	output wire [7:0]data_out
);

	parameter	sin_wave=4'b0001,	//正弦波
					squ_wave=4'b0010,	//方波
					tri_wave=4'b0100,	//三角波
					saw_wave=4'b1000;	//锯齿波
//本实验，我们希望输出一个频率为 500Hz，初相位为π/2 的正弦波信号。
//计算参数 FREQ_CTRL，即频率输入字 K。
//FREQ_CTRL = K = 2N * fOUT / fCLK，其中 N = 32(相位累加器输出值 fre_add 的位宽)、 fOUT = 500Hz，
//fCLK = 50MHz，带入公式，FREQ_CTRL = K = 42949.67296 ，取整数部分为42949；
//PHASE_CTRL = P =  / (2π / 2M)，其中 M =12(输入 ROM 地址位宽)、 = π / 2，带入公式，
//PHASE_CTRL = P = 1024。
//计算参数 PHASE_CTRL，即相位输入字 P。
	parameter	FREQ_CTRL=32'd42949,//相位累加器单次累加值，
					PHASE_CTRL=12'd1024;//相位偏移量
	
	reg [31:0]fre_add;	//相位累加器
	reg [11:0]rom_addr_reg;	//相位调制后的相位码
	reg [13:0]rom_addr;	//ROM读地址
	
	//相位累加器
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		fre_add<=1'b0;
	else
		fre_add<=fre_add+FREQ_CTRL;
		
	always @(posedge clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		begin
			rom_addr<=1'b0;
			rom_addr_reg<=1'b0;
		end
	else
		case(wave_select)
			sin_wave:
				begin
					rom_addr_reg<=fre_add[31:20]+PHASE_CTRL;
					rom_addr<=rom_addr_reg;
				end
			squ_wave:
				begin
					rom_addr_reg<=fre_add[31:20]+PHASE_CTRL;
					rom_addr<=rom_addr_reg+14'd4096;
				end
			tri_wave:
				begin
					rom_addr_reg<=fre_add[31:20]+PHASE_CTRL;
					rom_addr<=rom_addr_reg+14'd8192;
				end
			saw_wave:
				begin
					rom_addr_reg<=fre_add[31:20]+PHASE_CTRL;
					rom_addr<=rom_addr_reg+14'd12288;
				end
			default:
				begin
					rom_addr_reg<=fre_add[31:20]+PHASE_CTRL;
					rom_addr<=rom_addr_reg;
				end
		endcase
		
		wave_ip wave_ip0(
			.address(rom_addr),
			.clock(clk),
			.q(data_out)
		);

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4.顶层模块

module dds_top(
	input wire clk,
	input wire rst_n,
	input wire [3:0]key,
	
	output wire dac_clk,	//输出DAC模块时钟
	output wire [7:0]dac_data
);

	wire [3:0]wave_select;
	
	assign dac_clk=~clk;
	
	dds dds0(
		.clk(clk),
		.rst_n(rst_n),
		.wave_select(wave_select),

		.data_out(dac_data)
	);
	
	key_ctrl key_ctrl0(
		.clk(clk),
		.rst_n(rst_n),
		.key(key),
		
		.wave_select(wave_select)
	);
endmodule 
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5.RTL视图

三、仿真测试模块

1.仿真测试代码

`timescale 1ns/1ns
`define clk_period 20

module dds_top_tb;

	reg clk;
	reg rst_n;
	reg [3:0]key;
	
	wire dac_clk;	//输出DAC模块时钟
	wire [7:0]dac_data;
	reg [21:0]tb_cnt;
	reg key_in;
	reg [1:0]cnt_key;
	
	defparam	dds_top_inst.key_ctrl0.key_filter0.CNT_MAX=24,
				dds_top_inst.key_ctrl0.key_filter1.CNT_MAX=24,
				dds_top_inst.key_ctrl0.key_filter2.CNT_MAX=24,
				dds_top_inst.key_ctrl0.key_filter3.CNT_MAX=24;
	
	parameter	CNT_1MS = 20'd19000 ,
					CNT_11MS = 21'd69000 ,
					CNT_41MS = 22'd149000 ,
					CNT_51MS = 22'd199000 ,
					CNT_60MS = 22'd249000 ;

	dds_top dds_top_inst(
		.clk(clk),
		.rst_n(rst_n),
		.key(key),
		
		.dac_clk(dac_clk),	//输出DAC模块时钟
		.dac_data(dac_data)
	);
	
	initial clk=1'b1;
	always #(`clk_period/2) clk=~clk;
	
	initial begin
		rst_n=1'b0;
		#(`clk_period*20+1);
		rst_n=1'b1;
	end
	
	//tb_cnt:按键过程计数器，通过该计数器的计数时间来模拟按键的抖动过程
	always@(posedge clk or negedge rst_n)
	if(rst_n == 1'b0)
		tb_cnt <= 22'b0;
	else if(tb_cnt == CNT_60MS)
		tb_cnt <= 22'b0;
	else 
		tb_cnt <= tb_cnt + 1'b1;
		
	 //key_in:产生输入随机数，模拟按键的输入情况
	always@(posedge clk or negedge rst_n)
	if(rst_n == 1'b0)
		key_in <= 1'b1;
	else if((tb_cnt >= CNT_1MS && tb_cnt <= CNT_11MS) || (tb_cnt >= CNT_41MS && tb_cnt <= CNT_51MS))
		key_in <= {$random} % 2;
	else if(tb_cnt >= CNT_11MS && tb_cnt <= CNT_41MS)
		key_in <= 1'b0;
	else
		key_in <= 1'b1;
		
	always@(posedge clk or negedge rst_n)
	if(rst_n == 1'b0)
		cnt_key <= 2'd0;
	else if(tb_cnt == CNT_60MS)
		cnt_key <= cnt_key + 1'b1;
	else
		cnt_key <= cnt_key;
	
	always@(posedge clk or negedge rst_n)
	if(rst_n == 1'b0)
		key <= 4'b1111;
	else
		case(cnt_key)
			0: key <= {3'b111,key_in};
			1: key <= {2'b11,key_in,1'b1};
			2: key <= {1'b1,key_in,2'b11};
			3: key <= {key_in,3'b111};
			default:key <= 4'b1111;
		endcase
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2.仿真波形图

可以看到，第一部分波形为正弦波，第二部分为方波，第三部分为三角波，第四部分为锯齿波，设计成功。

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总结

可以通过dds代码中频率字与相位字的改变来实现更多的波形变化。