簡(jiǎn)易DDS信號(hào)發(fā)生器

學(xué)習(xí)資料：野火 升騰Pro《FPGA Verilog開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南——基于Xilinx Artix7》2021.11.16

1. 理論知識(shí)

DDS 是直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer），也就是信號(hào)發(fā)生器，具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。
DDS 的基本結(jié)構(gòu)主要由相位累加器、相位調(diào)制器、波形數(shù)據(jù)表 ROM、D/A 轉(zhuǎn)換器等四大結(jié)構(gòu)組成，其中較多設(shè)計(jì)還會(huì)在數(shù)模轉(zhuǎn)換器之后增加一個(gè)低通濾波器。
基本結(jié)構(gòu)示意圖：

頻率字輸入F_WORD一般為整數(shù)，控制輸出信號(hào)的頻率，數(shù)值越大頻率越高，后面用K表示,其位寬為N。相位字輸入P_WORD（后文用P表示），為整數(shù)，數(shù)值大小控制輸出信號(hào)的相位偏移，主要用于相位的信號(hào)調(diào)制。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fclk,輸出信號(hào)頻率fout,兩者的關(guān)系：**fout= K * fclk / (2 ^ N ).**對(duì)于P的計(jì)算，P= 相位偏移量 / (2π / 2 ^ M),M為ROM地址的位寬。

2. 工程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：使用 FPGA 開(kāi)發(fā)板和外部掛載的高速 AD/DA 板卡，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易 DDS 信號(hào)發(fā)生器，可通過(guò)按鍵控制實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、三角波和鋸齒波的波形輸出，頻率相位可調(diào)。
波形文件的產(chǎn)生利用Matlab生成.coe格式文件，代碼如下圖：

• 整體框架
  D/A模塊由外部掛載AD/DA板卡處理，其余相位累加器、相位調(diào)制器、波形數(shù)據(jù)表 ROM 由FPGA 負(fù)責(zé)。
  整體模塊框圖，四個(gè)按鍵進(jìn)行波形選擇輸出，
  

• 按鍵控制模塊
  四個(gè)輸入，需要按鍵消抖，直接套用以前的模塊即可。

• dds模塊
  內(nèi)部實(shí)例化了波形數(shù)據(jù)表ROM，用于存儲(chǔ)波形信號(hào)。
  
  其中 fre_add 表示相位累加器輸出值，位寬為 32 位，系統(tǒng)上電后，fre_add 信號(hào)一直執(zhí)行自加操作，每個(gè)時(shí)鐘周期自加參數(shù) FREQ_CTRL，參數(shù)FREQ_CTRL 就是在之前理論知識(shí)部分提到的頻率字輸入 K。
  寄存器變量 rom_addr_reg 表示相位調(diào)制器輸出值，將相位累加器輸出值的高 12 位與相位偏移量 PHASE_CTRL 相加，參數(shù) PHASE_CTRL 就是我們之前提到過(guò)的相位字輸入P。
  ROM 讀地址 rom_addr 是輸入波形數(shù)據(jù)表的 ROM 讀地址，是在 rom_addr_reg 的基礎(chǔ)上計(jì)算得到。我們之前將 4 種信號(hào)波形數(shù)據(jù)按照正弦波、方波、三角波、鋸齒波的順序?qū)懭?ROM。若需要讀取正弦波波形數(shù)據(jù)，rom_addr_reg 可直接賦值給 rom_addr；但是要進(jìn)行方波波形數(shù)據(jù)的讀取，rom_addr_reg 需要再加上正弦波存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)才能賦值給
  rom_addr。

• 頂層模塊
  直接實(shí)例化按鍵和dds模塊即可，輸出的dac_clk是DAC模塊的時(shí)鐘，該信號(hào)由系統(tǒng)時(shí)鐘 sys_clk 取反得到。取反的原因是波形數(shù)據(jù)表 ROM 的讀時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘 sys_clk，在系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿時(shí)對(duì) ROM 進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，而 DA 模塊也使用時(shí)鐘上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將系統(tǒng)時(shí)鐘 sys_clk 取反得到dac_clk，那么dac_clk 的上升沿剛好采集到波形數(shù)dac_data 的穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

代碼詳見(jiàn)資料

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的简易DDS信号发生器记录的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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