FPGA-DDS技术的波形发生器

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）

fclkf clk：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=0.0116Hzf out=0.0116Hz

最大值（Nyquist限制）：fout≤25MHzf out≤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

cs 复制代码

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) begin
        Address=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

cs 复制代码

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 begin
        if(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：

cs 复制代码

/*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

cs 复制代码

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)
    begin
        case(WaveSel)
            2'b01:WaveValue=Qsine;
            2'b10:WaveValue=Qsquare;
            default:WaveValue=Qsine;
        endcase
    end
endmodule

4.2.5配置文件

cs 复制代码

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

4.2.5仿真

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