FPGA 中 DDS 方案设计：频率、幅度与波形可调

在实际中，我们使用相位累加器的高几位来对 ROM 进行寻址，也就是说并不是每个系统时钟都对 ROM 进行数据读取，而是多个时钟读取一次，因为这样能保证相位累加器溢出时，从正弦 ROM 表中取出正好一个正弦周期的样点。

因此，相位累加器每计数 2^N 次，对应一个正弦周期。而相位累加器 1 秒钟计数 fclk 次（工作时钟频率），当频率控制字 FTW 为 1 时，DDS 输出的时钟频率就是频率分辨率。当 FTW 增加时，相位累加器溢出的频率增加，对应 DDS 输出信号频率就变成了 FTW 倍的 DDS 频率分辨率。

例如： 假设 ROM 的存储单元个数为 4096，每个存储数据用 8 位二进制表示。即 ROM 地址线宽为 12，数据线宽为 8；相位累加器位宽设置为 N=32。 由于 ROM 地址线位宽为 12，所以相位调制器的输出位宽也应该为 12。（因为 DDS 原理就是通过相位调制器的输出去 ROM 寻址）在相位调制器中与相位控制字进行累加时，用相位累加器的高 12 位累加，而低位只与频率控制字累加。

以频率控制字 FTW=1 为例，相位累加器的低 20 位一直加 1，直到低 20 位溢出而向高 12 位进位，此时 ROM 为 0，也就是说，ROM 的 0 地址中的数据被读了 2^20 次，继续往下，ROM 的 4096 个点全部都会读 2^20 次，最终输出的波形频率应该是参考时钟频率的 1/2^20，周期被扩大了 2^20 倍。同样当频率控制字为 100 时，所以最终输出频率是上述的 100 倍。

2. 代码实现

本次实验的硬件平台为 AC101-EDA，开发软件为 Quartus13.1。

由上节对 DDS 原理的介绍，可以分为以下几个模块。

2.1 控制模块

频率控制模块、相位控制模块、幅度控制模块这三个模块的逻辑一模一样，即：指定一个按键，通过按键的值将对应的参数进行改变。下面以幅度控制模块进行举例说明。

当系统检测到按键被按下后，将变量 cnt 进行计数：

即用 cnt 来表示按键的按下的次数，这里是当 cnt 按下 5 次后，被清零。其中 key_flag 表示按键按下，由按键消抖模块输出。

amplitude 的值由 cnt 的值决定，用一个 case 语句即可实现。

其他两个模块几乎一模一样，这里不再赘述。

2.2 DDS 实现模块

还需要设计一个波形选择的功能，可按如下实现。

其中 dac_data0、dac_data1、dac_data2、dac_data3 分别对应四个 rom 的输出。

2.3 ip 核 ROM 的实现

在 Quartus13.1 中，rom 使用 ip 核进行实现：由于实验所用的开发板的 DAC 为 8 位，所以 ROM 的数据位宽这里也设置为 8。

总共使用 4 个 ROM，分别对应正弦波、三角波、方波、锯齿波，ROM 所需的.mif 文件由 matlab 实现。如正弦波文件的 matlab 代码如下：

cclc; %清除命令行命令 clear all; %清除工作区变量，释放内存空间 F1=1; %信号频率 Fs=2^12; %采样频率 P1=0; %信号初始相位 N=2^12; %采样点数 t=[0:1/Fs:(N-1)/Fs]; %采样时刻 ADC=2^7 - 1; %直流分量 A=2^7; %信号幅度 %生成正弦信号 s=A*sin(2*pi*F1*t + pi*P1/180) + ADC; plot(s); %绘制图形 %创建 mif 文件 fild = fopen('sin_wave_4096x8.mif','wt'); %写入 mif 文件头 fprintf(fild, '%s\n','WIDTH=8;'); %位宽 fprintf(fild, '%s\n\n','DEPTH=4096;'); %深度 fprintf(fild, '%s\n','ADDRESS_RADIX=UNS;'); %地址格式 fprintf(fild, '%s\n\n','DATA_RADIX=UNS;'); %数据格式 fprintf(fild, '%s\t','CONTENT'); %地址 fprintf(fild, '%s\n','BEGIN'); %开始 for i = 1:N s0(i) = round(s(i)); %对小数四舍五入以取整 if s0(i) <0 %负 1 强制置零 s0(i) = 0 end fprintf(fild, '\t%g\t',i-1); %地址编码 fprintf(fild, '%s\t',':'); %冒号 fprintf(fild, '%d',s0(i)); %数据写入 fprintf(fild, '%s\n',';'); %分号，换行 end fprintf(fild, '%s\n','END;'); %结束 fclose(fild);

注意确保生成的.mif 文件位于 Quartus 的工程目录下。

DAC 驱动模块：

开发板上的 DAC 是 MCP4802，采用的 SPI 通信。代码部分参考相关 SPI 通信文档。

在 Quartus 中查看 RTL 视图：

3. 实验结果

3.1 仿真结果

3.2 实际输出结果

3.2.1 波形选择

3.2.2 频率控制

3.2.3 幅度控制