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2018新疆双语班高考:基于ROM的任意波形发生器(DDS)

FPGA学习交流 ? 2018-06-18 19:24 ? 次阅读

新疆25选7走势 www.ve66b.cn 设计背景:?

????DDS(Direct Digital Synthesizer)直接数字式频率合成器,是一种新型频率合成技术,具有低成本、低功耗、高分辨率、相对带宽大和频率转换时间短等优点。较容易实现频率、相位以及幅度的数控调制,广泛应用在电信与电子仪器和通信领域。波形发生器是一种数据信号发生器,在调试硬件时,常常需要加入一些信号,以观察电路工作是否正常。加入的信号有:正弦波、三角波、方波和任意波形等。

设计原理:?

????相位(phase)是对于一个波,特定的时刻在它循环周期中的位置:一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。相位描述信号波形变化的度量,通常以度 (角度)作为单位,也称作相角。 当信号波形以周期的方式变化,波形循环一周即为360°。那么相位可调也可以简单的理解为:改变初始相位。

????频率,是单位时间内完成周期性变化的次数,是描述周期运动频繁程度的量,常用符号fν表示,单位为秒分之一,符号为s-1。频率可调也就是改变单位时间内完成周期性变化的次数。

????本设计采用DDS技术设计相位频率可调的波形发生器,已经知道了相位和频率可调分别代表什么,那么接下来就要知道怎样依靠DDS技术实现波形发生器,并且相位和频率可以调控。DDS的基本结构如下图所示:

????image.png

????根据上图可以看出:DDS主要由相位累加器、波形数据表(ROM)、D/A转换器构成,本设计暂时不涉及D/A转换部分。相位累加器位宽为N,波形数据表的大小为2^P,累加器的高P位则用于寻址波形数据表,即ROM,从ROM中输出的数据则是产生的波形。如果累加器在系统时钟(CLOCK)的作用下,以步进为M累加直至溢出,则M为频率控制字(即图中的FWORD),相位控制字(PWORD)则作为累加器的输入初始值。这里的累加器,也可以理解为ROM的地址发生器。

????上段所述我们可具体理解为:改变地址的初值(PWORD)就可以改变初始的相位,由于我们设计中,ROM的数据为256,所以PWORD?的值在0~255之间,PWORD= 256*(初始相位/360度)。

????我们设计的系统时钟(CLOCK)为50MHz,周期为20ns,而正弦波被分成了256个点,波形发生器的频率就是195.31KHz。若想要输出别的频率,则可通过改变输出的点的个数,即改变有效地址的数量。我们用位宽为N位的累加器,假设FWORD为1,要产生一个完整波形的周期则为20ns*2^N,则产生波形的频率=系统时钟/2^N,即Fout = Fclk/2^N,如果FWORD为B,每次步进的间隔提高了B倍,所以计满一个波形周期的时间就缩小了B倍,即频率就提高了B倍。则波形频率的公式为:Fout = B*(Fclk/2^N)。之后我们取累加器的高8位,去寻址波形数据,对应点的还是个数一样的。本设计中我们将N取为32,当B=1,Fout约为0.012Hz,0.012就相当于最小精度,所以我们就实现了频率为0.012倍数的调制,但因为0.012值很小了,所以可以说基本实现了所有频率的调制。

设计架构图:?

????根据上述的原理图分析,本设计的架构如下图:

????? image.png

????

????架构图中的端口功能描述如下表:

????image.png

????

????dds_addr??槭鞘迪窒辔焕奂悠鞯哪??,这里用参数来调制FWORD和PWORD的值,累加之后,将地址高八位(addr_out)输出到rom???,从而产生波形数据。

?

设计代码:?

????在具体写代码之前,我们需要先制作载有波形数据的MIf文件,这时需要一个小软件(Mif_Maker2010),软件的链接如下:

????链接://pan.bAIdu.com/s/1gfzcOzL?密码:ietw

????具体操作步骤如下

????打开Mif_Maker2010,在查看中点击全局参数,如下图:

????image.png

????将全局参数设置如下图:数据长度为256,数据位宽为8,数据格式为无符号10进制,采样频率为1000。

????image.png

????点击设定波形,选择想要生成的波形,这里我们以正弦波为例,如需要其他波形,都可进行修改:

????image.png

????

????之后点击保存,则可生成mif文件,这里我们命名为sin.mif。打开sin.mif后,如下图所示:

????image.png

????

????dds_addr??榇耄?/span>

????这里我们以初始相位为180度,频率为5KHz为例:

????

0???module?dds_addr (clk,?rst_n,?addr_out);

1?

2???????input?clk,?rst_n;???//系统时钟复位

3???????output?[7:0]?addr_out;??//输出的地址,对应到ROM内的数据

4????????

5???????paRameter?N =?32;

6???????parameter?PWORD =?128;??//相位控制字 (x/360)*256

7???????parameter?FWORD =?429497;?//频率控制字F_out=B*(F_clk/2**32),fword=B

8???????//5KHZ

9???????reg?[N-1:0]?addr;??//32位累加器

10??????

11??????always?@?(posedge?clk or?negedge?rst_n)

12??????begin

13??????????if?(!rst_n)

14??????????????begin

15??????????????????addr <=?0;??

16??????????????end

17??????????else

18??????????????begin

19??????/*每隔fword的大小,输出一位地址,若频率控制字FWORD等于2,那么地址计数器输出的就依次是0,2,4.....*/???????

20??????????????????addr <=?addr +?FWORD;

21??????????????end?????

22??????end?

23??????/*将累加器器的地址的高八位赋值给输出的地址(ROM的地址*/

24??????assign?addr_out =?addr[N-1:N-8]?+ PWORD;

25

26??endmodule?

????rom??槲饔玫腎P核,该rom IP核中存储了sin.mif的数据。

????dds顶层??榇耄?/span>

????

0???module?dds (clk,?rst_n,?q);

1?

2???????input?clk,?rst_n;???//系统时钟复位

3???????output?[7:0]?q;?????//输出波形数据

4???????

5???????wire?[7:0]?addr_out;??//8位地址,对应到ROM内的数据

6???????

7???????/*****相位累加器???/span>*****/

8???????dds_addr dds_addr_inst(

9???????????.clk(clk),?

10??????????.rst_n(rst_n),

11??????????.addr_out(addr_out)

12??????);

13??????

14??????/*****波形数据???/span>*****/

15??????rom rom_inst (

16??????????.address (?addr_out ),

17??????????.clock (?clk ),

18??????????.q (?q )

19??????);

20

21??endmodule?

????dds_tb顶层??榈?a target='_blank'>测试??椋?/span>

0???`timescale?1ns/1ps

1?

2???module?dds_tb;

3?

4???????reg?clk,?rst_n;

5???????wire?[7:0]?q;

6???????

7???????initial?begin

8???????????clk =?1;

9???????????rst_n =?0;

10??????????#200.1

11??????????rst_n =?1;

12??????????

13??????????#50_000_000?$stop;

14??????end?

15

16??????dds dds_dut(

17??????????.clk(clk),?

18??????????.rst_n(rst_n),

19??????????.q(q)

20??????);

21??????

22??????always?#10?clk =?~clk;

23

24??endmodule?

仿真图:

image.png

????根据上图可知,我们的设计正确。并且可以实现相位和频率可调。

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