【FPGA开发】DDS信号发生器设计

一、常见IP模块介绍

IP(IntellectualProperty)原指知识产权、著作权等，在IC设计领域通常被理解为实现某种功能的设计。IP模块则是完成某种比较复杂算法或功能（如FIR滤波器、FFT、SDRAM控制器、PCIe接口、CPU核等）并且参数可修改的电路模块，又称为IP核(IPCore)。随着CPLD/FPGA器件的集成度越来越高，设计越来越复杂，使用IP核是EDA设计的发展趋势。

根据实现方式的不同，IP核可以分为软核(softcore)、固核(firmcore)和硬核(hardcore)，三种IP核的特点如表所示。

IP软核是FPGA设计中常用的预构建功能模块，可以显著提高开发效率。下面介绍RAM、ROM和FIFO这三种常见IP核的使用方法。

1.1 RAM IP核的使用

ROM简介

ROM 是只读存储器（Read-Only Memory）的简称，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除，且资料不会因为电源关闭而消失。而事 实上在 FPGA 中通过 IP 核生成的 ROM 或 RAM（RAM 将在下一节为大家讲解）调用的是FPGA 内部的 RAM 资源，掉电内容都会丢失（这也很容易解释，FPGA 芯片内部本来就没有掉电非易失存储器单元）。用 IP 核生成的 ROM 模块只是提前添加了数据文件（.coe 格式）(.mf/.nex格式) ，在 FPGA 运行时通过数据文件给 ROM 模块初始化，才使得 ROM 模块像个"真正"的掉电非易失存储器；也正是这个原因，ROM 模块的内容必须提前在数据文件中写死，无法在电路中修改。

参数设置要点

（1）存储器类型：

· 单端口RAM

· 简单双端口RAM（一个读端口一个写端口）

**·**真双端口RAM（两个独立读写端口）

（2）数据宽度：设置存储单元的位宽（如8位、16位、32位等）

（3）存储深度：设置存储单元的数量（如1024、2048等）

（4）操作模式：写优先模式、读优先模式、不变模式

（5）初始化文件：可选.hex或.mif文件初始化RAM内容

调用过程（以Xilinx Vivado为例）

（1）在IP Catalog中搜索Block Memory Generator

（2）选择RAM类型和接口类型（Native或AXI）

（3）设置数据宽度和存储深度

（4）配置操作模式和时钟选项

（5）生成IP核并添加到设计中

示例代码（Verilog实例化）：

ram_8x1024 your_ram_instance (
  .clka(clk),       // 时钟输入
  .ena(ram_en),     // 使能信号
  .wea(ram_we),     // 写使能
  .addra(ram_addr), // 地址总线
  .dina(ram_din),   // 数据输入
  .douta(ram_dout)  // 数据输出
);

1.2 ROM IP核的使用

参数设置要点

（1）数据宽度：与RAM类似，设置输出数据的位宽

（2）存储深度：决定ROM的大小

（3）初始化文件：必须提供.mif或.hex文件初始化ROM内容

（4）输出寄存器：可选择是否在输出端添加寄存器

调用过程

（1）在IP Catalog中搜索"Block Memory Generator"

（2）选择ROM类型

（3）设置数据宽度和存储深度

（4）指定初始化文件路径

（5）配置其他选项（如输出寄存器）

（6）生成IP核

示例代码：

rom_16x512 your_rom_instance (
  .clka(clk),       // 时钟输入
  .addra(rom_addr), // 地址输入
  .douta(rom_data)  // 数据输出
);

1.3 FIFO IP核的使用

参数设置要点

（1）FIFO类型：

同步FIFO（单时钟）

异步FIFO（读写不同时钟）

（1）数据宽度：设置FIFO存储数据的位宽

（2）FIFO深度：设置FIFO能存储的数据量

（3）满/空标志：设置满和空标志的生成方式

（4）握手信号：可选添加读写确认信号

（5）存储类型：选择使用Block RAM或Distributed RAM

调用过程

（1）在IP Catalog中搜索"FIFO Generator"

（2）选择同步/异步FIFO

（3）设置数据宽度和深度

（4）配置标志信号和握手信号

（5）选择存储资源类型

（6）生成IP核

示例代码：

fifo_32x256 your_fifo_instance (
  .clk(clk),        // 时钟输入（同步FIFO）
  .rst(reset),      // 复位信号
  .din(fifo_in),    // 数据输入
  .wr_en(wr_en),    // 写使能
  .rd_en(rd_en),    // 读使能
  .dout(fifo_out),  // 数据输出
  .full(full),      // 满标志
  .empty(empty)     // 空标志
);

1.4 通用注意事项

1. 时钟域处理：特别是异步FIFO，要确保跨时钟域信号正确处理

2. 资源选择：根据设计需求选择Block RAM或Distributed RAM

3. 时序约束：使用IP核后要添加适当的时序约束

4. 仿真模型：大多数IP工具会生成仿真模型，便于验证设计

5. 功耗考虑：大容量存储器可能显著影响功耗，需合理选择

掌握这些IP核的使用可以大大提高FPGA设计的效率，特别是在需要存储和缓冲数据的应用中。

二、实操演练

2.1 DDS信号发生器设计

使用Quartus Prime Lite创建工程，顶层文件名为DDS_top，芯片选择EP4CE115F29C7（详细步骤看其余FPGA文章）。

2.1.1相位累加器的设计

新建Verilog HDL File文件，文件名为addr_cnt.v（如果与VS Code连用代码写好后另存为就好）

//=====相位累加器和数据锁存器=====
module addr_cnt(CPi,K,ROMaddr,Address);
        input CPi;                     //系统基准时钟(100MHz)
        input [12:0] K;                //13位频率控制字
        output reg [9:0] ROMaddr;      //10位ROM地址
        output reg [16:0] Address;     //17位相位累加器地址信号
    always @(posedge CPi)
    begin
        Address = Address + K;
        ROMaddr = Address[16:7];
    end
endmodule

在项目中添加addr_cnt.v文件，选择Files，右键点击Files，点击添加

找到刚才保存的文件添加

选择Set as Top-Level Entity将其设为顶层文件，点击编译

右键点击addr_cnt.v文件，选择CreateSymbol Files for Current File命令，生成该模块的符号

在Quartus中打开生成的addr_cnt.bsf文件，生成的该模块的符号如图

2.1.2波形存储器ROM的设计

（1）方波模块

步骤跟上面的一样，文件名为squwave.v，其代码如下

//=====方波产生模块:squwave.v ======
module squwave(CPi,RSTn,Address,Qsquare);
    input CPi;                          //系统基准时钟(100MHz)
    input RSTn;                         //同步清零
    input [16:0] Address;               //17位地址输入信号
    output reg [11:0] Qsquare;          //输出方波信号，12位宽，送至DAC
    always @(posedge CPi)        
    if(!RSTn) Qsquare=12'h000;          //同步清零
    else begin                   
        if(Address<=17'h0FFFF)  
            Qsquare=12'hFFF;            //输出高电平
        else Qsquare=12'h000;           //输出低电平
    end
endmodule

打开生成的squwave.bsf文件后该模块的符号如图

（2）正弦波形存储器模块

Quartus Prime软件接受两种格式的初始化文件MemoryInitialization File(.mif)和Hexadecimal(Intel-Format)File(.hex)。使用时，将初始化文件放在当前工程项目子目录中，在配置LPM_ROM时会对其进行初始化。而建立.mif格式文件有两种方法，一种是直接编辑法，另一种是用C语言等软件生成初始化文件（初始化储存单元较多时更加实用）

打开c语言编译器，建立sinewave.c文件，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#define PI 3.141592
#define DEPTH 1024     //数据深度，即存储单元的个数
#define WIDTH 12       //存储单元的宽度
int main(void)
{int n,temp;
 float v;
 FILE *fp;
/*建立文件名为Sine1024.mif的新文件，允许写入数据，对文件名没有特殊要求，但扩展名必须为.mif*/
    fp=fopen("Sine1024.mif","w+");
    if(NULL==fp)
            printf("Can not creat file!\r\n");
        else
        {
            printf("File created successfully!\n");
                /*生成文件头，注意不要忘了";" */
            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");
                /*以十六进制输出地址和数据*/
            for(n=0;n<DEPTH;n++)
            {/*周期为1024个点的正弦波*/
             v=sin(2*PI*n/DEPTH);
             /*将-1～1之间的正弦波的值扩展到0～4095之间*/
             temp=(int)((v+1)*4095/2); //v+1将数值平移到0～2之间
             /*以十六进制输出地址和数据*/
             fprintf(fp,"%x\t:\t%x;\n",n,temp);
        }
        fprintf(fp,"END;\n");
        fclose(fp);    //关闭文件
    }
}

运行此文件后会生成sinewave.exe文件，双击运行就会生成Sine1024.mif文件

接着，验证生成的数据是否正确。用记事本打开生成的mif文件，同时用Quartus Prime软件打开mif文件，若能成功导入数据且数据一致，则说明生成文件正确，将其添加到工程文件中。

在Quartus Prime主界面选择Tool→IP Catalog

编辑

在查找框内输入ROM, IP核目录(IP Catalog)栏中会列出相关的IP核，选择ROM:1-PORT并双击

弹出如图所示的保存IP设置界面，输入文件名SineROM.v，并选中Verilog，单击OK按钮

设置ROM的数据位宽为12，存储容量（字数）为1024，单击Next按钮

点击Next，配置如下

点击Browse...选择生成的Sine1024.mif文件，这是指明初始化ROM所使用的数据文件名

然后Next直到最后一页，弹出如图所示的选择输出文件的对话框（最重要的是.v文件，其余文件按需要勾选，.bsf文件也可以选上），选择好后点击Finish

SineROM.v等相关文件就生成好了

该模块的符号如下图所示：

2.2 锁相环倍频电路设计

定制一个名称为PLL100M_CP的时钟模块，该模块的输入inclk0为50MHz时钟信号，输出c0为100MHz的脉冲信号，占空比为50%，带有相位锁定指示输出端locked。

在右侧查找框内输入ALTPLL（嵌入式锁相环）

双击打开，输入文件名PLL100M_CP.v，并选中Verilog，单击OK按钮

设置输入时钟(inclk0)频率为50MHz

其余的按如下图片设置

最后选择需要生成的文件

2.3 顶层电路设计

代码如下：

//========DDS的顶层模块:DDS_top.v ======
module DDS_top(CLOCK_50, RSTn, WaveSel, K,
WaveValue, LEDG, CLOCK_100);
    input CLOCK_50;                           //50MHz时钟
    input RSTn;                               //控制方波清零，低电平有效
    input [1:0] WaveSel;                      //波形选择:SW[17:16]=10时为方波；SW
                                                     //[17:16]=01时为正弦波
    input [12:0] K;                           //频率控制字SW12..SW0
    output reg [11:0] WaveValue;              //输出波形数据
    wire [9:0] ROMaddr;                       //波形存储器地址
    wire [16:0] Address;                      //17位相位累加器地址
    wire [11:0] Qsine, Qsquare;               //正弦、方波数据输出
    output [0:0]LEDG;                         //锁相环相位锁定指示灯，亮表示锁定
    output CLOCK_100;                         //锁相环输出时钟，频率为100MHz
    wire CPi =CLOCK_100;
    PLL100M_CP PLL100M_CP_inst (              //实例引用锁相环子模块
    .inclk0 ( CLOCK_50 ),                     //50MHz时钟输入
    .c0 ( CLOCK_100 ),                        //100MHz时钟输出
    .locked ( LEDG[0] )                       //相位锁定指示
);
    addr_cnt U0_instance(CPi,K,ROMaddr,Address);
                                              //实例引用地址累加器
    SineROM ROM_inst (                        //实例引用正弦LPM_ROM子模块
    .address (ROMaddr),
    .clock ( CPi ),
    .q ( Qsine )
);
    squwave U1(CPi,RSTn, Address,Qsquare);    //实例引用方波子模块
    always @(posedge CPi)
begin
    case(WaveSel)                             //选择输出波形
        2'b01:WaveValue=Qsine;                //输出正弦波
        2'b10:WaveValue=Qsquare;              //输出方波
        default:WaveValue=Qsine;
    endcase
end
endmodule

写好后添加到工程中，将此文件设为顶层模块并进行编译。

三、设计实现

使用DE2-115开发板来验证上述设计。用板上的50MHz晶振作为时钟输入，用KEY3控制方波清零，用SW12～SW0设置频率控制字，SW17、SW16用来选择输出波形的种类，用LEDG0作为PLL的相位锁定指示。

有DE2_115_pin_assignments.csv文件可以直接导入不用手动配置引脚，没有的话参考DE2-115文档配置。为了方便导入文件DE2_115_pin_assignments.csv进行引脚分配，将使用该文件中的端口名称代替上述DDS_top.v（代码如下）中的信号名称。为此再编写一个顶层文件DE2_DDS_top.v代码如下：

//=====在开发板上运行的DDS的顶层模块:DE2_115_DDS_top.v ======
module DE2_115_DDS_top(CLOCK_50, KEY, SW, GPIO_0, LEDG);
    input CLOCK_50;                          //50MHz时钟
    input[3:3] KEY;                          //按键KEY3，控制方波清零
    input[17:0] SW;                          //拨动开关
    output [12:0] GPIO_0;                    //扩展接口，送出波形数据给DAC
    output [0:0]LEDG;                        //绿色LED指示相位是否锁定
    wire CLOCK_100;                          //100MHz时钟
    assign GPIO_0[12]=CLOCK_100;             //送给DAC的时钟
    wire RSTn = KEY[3];                      //控制方波清零，低电平有效
    wire [1:0] WaveSel = SW[17:16];          //选择输出波形
    wire [12:0] K = SW[12:0];                //设置频率控制字，最小值必须为1
    wire [11:0] WaveValue;
    assign GPIO_0[11:0] = WaveValue;         //输出波形数据
    DDS_top DE2(CLOCK_50, RSTn, WaveSel, K, WaveValue, LEDG, CLOCK_100);
endmodule