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FPGA-DDS技术的波形发生器

news 来源：原创 2025/5/7 11:15:33

1.实验目的

1.1掌握直接数字频率合成（DDS）的基本原理及其实现方法。

1.2在DE2-115 FPGA开发板上设计一个可调频率的正弦波和方波发生器，频率范围10Hz~5MHz，最小分辨率小于1kHz。

1.3使用Quartus II进行仿真，并通过SignalTap II实时观测输出波形。

2.实验原理

2.1 DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）是一种通过数字方式生成高精度、高稳定度频率信号的技术。其核心由三部分组成：

相位累加器：在时钟驱动下累加频率控制字（K），输出相位值。

波形查找表（LUT）：存储波形采样数据（如正弦波、方波）。

DAC转换（可选）：将数字波形转换为模拟信号（本实验仅观测数字输出）。

2.2输出频率计算公式：

K：频率控制字（Tuning Word）

fclkfclk：系统时钟（50MHz）

NN：相位累加器位数（32位）

3.关键参数设计

3.1频率分辨率：

3.2频率范围：

最小值：K=1K=1，fout=0.0116Hzfout=0.0116Hz

最大值（Nyquist限制）：fout≤25MHzfout≤25MHz，实际设计目标5MHz。

4.实验设计

4.1 硬件设计

（1）相位累加器

32位累加器，每个时钟周期增加频率控制字 KK。

输出相位值的高10位作为LUT地址（1024点正弦表）。

（2）波形查找表（LUT）

正弦波：c生成1024点8位有符号数据（.mif文件），存储于ROM。

方波：直接取相位累加器最高位（占空比50%）。

（3）顶层模块

输入：系统时钟（50MHz）、复位信号、频率控制字 KK、波形选择信号。

输出：8位数字波形数据。

4.2 关键代码

4.2.1相位累加器

module addr_cnt(CPi,K,ROMaddr,Address);input CPi;input [12:0] K;output reg [9:0] ROMaddr;output reg [16:0] Address;always @(posedge CPi) beginAddress=Address+K;ROMaddr=Address[16:7];end
Endmodule

选择Create Symbol Files for Current File

4.2.2波形存储器ROM

方波模块

module squwave(CPi,RSTn,Address,Qsquare);input CPi;input RSTn;input [16:0] Address;output reg [11:0] Qsquare;always @(posedge CPi)if (!RSTn)Qsquare=12'h000; else beginif(Address<=17'h0FFFF)Qsquare=12'hFFF;else Qsquare=12'h000;end
endmodule

4.2.3正弦波形存储器

其中Sine1024.mif的代码如下：

/*myMIF.c*/
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#define PI 3.141592
#define DEPTH 1024
#define WIDTH 12
int main(void)
{int n,temp;float v;FILE *fp;fp=fopen("Sine1024.mif","w+");if(NULL==fp)printf("Can not creat file!\r\n");else{printf("File created successfully!\n");fprintf(fp,"DEPTH=%d;\n",DEPTH);fprintf(fp,"WIDTH=%d;\n",WIDTH);fprintf(fp,"ADDRESS_RADIX=HEX;\n");fprintf(fp,"DATA_RADIX=HEX;\n");fprintf(fp,"CONTENT\n");fprintf(fp,"BEGIN\n");for(n=0;n<DEPTH;n++){v=sin(2*PI*n/DEPTH);temp=(int)((v+1)*4095/2);fprintf(fp,"%04x : %03x;\n",n,temp);}fprintf(fp,"END;\n");fclose(fp);}}

运行.exe文件生成.mif文件

LPM_ROM定制正弦波形存储器：

以下进行修改：

4.2.4顶层电路设计

module DDS_top (CLOCK_50,RSTn,WaveSel,K,
WaveValue,LEDG,CLOCK_100);input CLOCK_50;input RSTn;input [1:0] WaveSel;input [12:0] K;output reg [11:0] WaveValue;wire [9:0] ROMaddr/* synthesis keep */;wire [16:0] Address;wire [11:0] Qsine,Qsquare;output [0:0] LEDG;output CLOCK_100;wire CPi=CLOCK_100;PLL100M_CP PLL100M_CP_inst(.inclk0(CLOCK_50),.c0(CLOCK_100),.locked(LEDG[0]));addr_cnt U0_instance(CPi,K,ROMaddr,Address);SineROM ROM_inst(.address(ROMaddr),.clock(CPi),.q(Qsine));squwave U1(CPi,RSTn,Address,Qsquare);always @(posedge CPi)begincase(WaveSel)2'b01:WaveValue=Qsine;2'b10:WaveValue=Qsquare;default:WaveValue=Qsine;endcaseend
endmodule

4.2.5配置文件

module DE2_115_DDS_top(CLOCK_50,KEY,SW,GPIO_0,LEDG);input CLOCK_50;input [3:3] KEY;input [17:0] SW;output [12:0] GPIO_0;output [0:0] LEDG;wire CLOCK_100;assign GPIO_0[12]=CLOCK_100;wire RSTn=KEY[3];wire [1:0] WaveSel=SW[17:16];wire [12:0] K=SW[12:0];wire [11:0] WaveValue;assign GPIO_0[11:0]=WaveValue;DDS_top DE2(CLOCK_50,RSTn,WaveSel,K,WaveValue,LEDG,CLOCK_100);
endmodule