设计和实现一个基于 DDS（直接数字频率合成） 的波形发生器

设计和实现一个基于 DDS（直接数字频率合成） 的波形发生器

1. 学习和理解IP软核和DDS

关于 IP 核的使用方法

• IP 核：在 FPGA 设计中，IP 核（Intellectual Property Core）是由硬件描述语言（HDL）编写的预先设计的逻辑模块，可以加速设计流程，减少开发时间。常见的 IP 核包括 RAM、ROM、FIFO 等。
• RAM（随机存取存储器）：用于存储数据，在设计波形发生器时，可以用于存储波形数据或者频率设置。
• ROM（只读存储器）：用于存储预定义的固定数据，波形数据可以保存在 ROM 中，供 DDS 处理。
• FIFO（先进先出）：用于存储和传递数据的队列结构，DDS 设计中可以用于数据的传输和缓冲。

DDS设计和波形发生器

DDS 是一种常用的信号生成技术，利用数字频率合成技术生成不同频率和形状的信号波形。主要原理是通过一个相位累加器、波形查找表（LUT）和数模转换器（DAC）来合成不同频率和相位的波形。

DDS 波形发生器设计

设计一个 DDS 波形发生器，要求如下：

1. 合成正弦波和方波：
   • 正弦波：通过查找表（LUT）生成正弦波数据，可以在 FPGA 中使用 RAM 或 ROM 存储这些数据。
   • 方波：方波可以通过设置正弦波的幅度达到不同的离散值（例如：高电平和低电平交替）。
2. 输出频率范围 10 Hz ～ 5 MHz，最小频率分辨率小于 1 kHz：
   • 使用相位累加器来控制频率，调整相位增量的大小来实现不同的频率输出。
   • 频率分辨率可以通过设置相位增量的精度来实现，例如，可以通过精细调整相位步长来确保频率分辨率小于 1 kHz。
3. SignalTap II 实时测试输出波形的离散数据：
   • 使用 SignalTap II 嵌入式逻辑分析仪来实时捕获 FPGA 内部信号和波形。SignalTap II 可以配置为捕获 DDS 输出的波形数据，并将其显示在波形图中进行分析。

3. 设计实现步骤

(1) DDS 设计

• 相位累加器：用于计算输出信号的相位。通过相位增量控制输出频率，增量的大小决定了输出信号的频率。
• 查找表（LUT）：存储波形数据，通常是正弦波或方波的离散化数据。LUT 可以是 ROM 或 RAM 模块。
• 频率控制单元：计算相位增量，并将其传递给相位累加器。控制频率的改变。
• 数模转换器（DAC）：将数字信号转换为模拟信号，供实际输出。

(2) 参数设置

• 输出频率范围：10 Hz ～ 5 MHz。
• 最小频率分辨率：小于 1 kHz。
• 在 FPGA 设计中，设置 DDS 的相位累加器宽度和查找表的精度来确保输出频率范围和分辨率要求。

(3) 在 DE2-115 开发板上的实现

• 硬件资源：DE2-115 开发板支持多种硬件资源，如FPGA、RAM、FIFO、ROM 等，利用这些资源实现 DDS 和波形输出。
• 信号输出：通过 FPGA 的引脚输出模拟信号到示波器，或通过外部 DAC 转换并输出模拟波形。

(4) SignalTap II 使用

• 配置 SignalTap II 来监测 FPGA 内部的信号，尤其是 DDS 的输出数据。实时捕获波形数据，并通过 SignalTap II 调试工具进行分析。

4. 仿真与实践

(1) 仿真

• 使用 Quartus II 软件进行仿真，确保设计能够生成正确的波形，并满足频率和分辨率要求。
• 在仿真过程中，可以检查 DDS 输出的信号波形，验证其准确性和频率范围。

(2) 实践

• 将设计部署到DE2-115 开发板上，利用 SignalTap II 进行实时波形测试，检查实际输出的波形与仿真结果是否一致。

5. 代码示例（Verilog）

以下是一个简单的 Verilog 代码示例，展示如何设计一个基本的 DDS 相位累加器：

module DDS (
    input clk,                 // 时钟信号
    input reset,               // 重置信号
    input [31:0] phase_inc,    // 相位增量，控制频率
    output [15:0] wave_out     // 输出波形（16位）
);

    reg [31:0] phase_accum = 0;  // 相位累加器
    reg [15:0] lut[0:1023];      // 正弦波查找表，1024点
    reg [15:0] wave_out_reg = 0; // 输出波形寄存器

    // 初始化查找表为正弦波（示例：简化的初始化方式）
    initial begin
        integer i;
        for (i = 0; i < 1024; i = i + 1) begin
            lut[i] = 16'h8000 + 16'h7FFF * $sin(2 * 3.14159 * i / 1024);
        end
    end

    // 每个时钟周期更新相位累加器并生成输出波形
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            phase_accum <= 32'b0;
            wave_out_reg <= 16'b0;
        end else begin
            phase_accum <= phase_accum + phase_inc;  // 更新相位累加器
            wave_out_reg <= lut[phase_accum[31:22]]; // 使用累加的相位值索引查找表
        end
    end

    assign wave_out = wave_out_reg;  // 将波形输出

endmodule

为了验证 DDS 模块的功能，我们可以编写一个简单的测试模块。以下是测试代码：

module DDS_testbench;
    reg clk;                    // 时钟信号
    reg reset;                  // 重置信号
    reg [31:0] phase_inc;       // 相位增量
    wire [15:0] wave_out;       // 输出波形

    // 实例化 DDS 模块
    DDS uut (
        .clk(clk),
        .reset(reset),
        .phase_inc(phase_inc),
        .wave_out(wave_out)
    );

    // 时钟生成
    always begin
        #5 clk = ~clk;  // 产生 100 MHz 时钟
    end

    // 测试过程
    initial begin
        // 初始化
        clk = 0;
        reset = 0;
        phase_inc = 32'h00010000; // 设置一个频率增量

        // 复位 DDS
        reset = 1;
        #10 reset = 0;

        // 运行一段时间
        #1000;
        $stop;  // 停止仿真
    end

    // 监控输出
    initial begin
        $monitor("Time = %t, wave_out = %h", $time, wave_out);
    end

endmodule

代码解析

1. DDS模块：
   • phase_accum：这是一个 32 位的相位累加器，每次时钟周期增加 phase_inc。
   • lut：存储正弦波数据的查找表（大小为 1024），通过 phase_accum[31:22] 进行索引来获取波形数据。
   • wave_out_reg：存储当前输出波形的寄存器。
2. 查找表初始化：
   • 在 initial 块中，我们填充了一个简单的正弦波查找表。查找表的大小是 1024 点，每个点对应一个 16 位的正弦值。
3. 输出波形：
   • 每当时钟信号上升沿时，phase_accum 增加 phase_inc，并根据累积的相位值（phase_accum[31:22]）索引查找表获取波形输出。
4. 测试模块：
   • DDS_testbench 模块用于生成时钟信号并测试 DDS 模块的功能。通过监视 wave_out 信号，可以观察到 DDS 生成的波形。

6. SignalTap II 调试

在 Quartus II 中，使用 SignalTap II 嵌入式逻辑分析仪来调试 DDS 模块：

1. 设置 SignalTap II：
   • 打开 Quartus II，选择 “Tools” -> “SignalTap Logic Analyzer”。
   • 添加一个新的 SignalTap 实例。
   • 选择要监视的信号（如 phase_accum 和 wave_out）。
   • 配置触发条件（例如，当 wave_out 信号变化时触发）。
2. 分析波形：
   • 下载到开发板后，通过 SignalTap II 查看信号的变化，验证 DDS 输出的波形。

7. DE2-115开发板上实现

1. 硬件连接：
   • 将 FPGA 的输出连接到外部 DAC（如 AD9747），通过 DAC 将数字信号转换为模拟波形。
   • 如果只是测试，可以使用示波器直接查看数字信号。
2. 编译和部署：
   • 在 Quartus II 中完成编译，并将设计下载到 DE2-115 开发板。
   • 使用 SignalTap II 实时捕捉和调试信号输出。