【小梅哥FPGA进阶教程】第十一章 四通道幅频相可调DDS信号发生器 上

芯航线跑堂

十一、四通道幅频相可调DDS信号发生器

本文由山东大学研友袁卓贡献，特此感谢

实验目标
实现多通道可调信号发生器
实验平台
芯航线FPGA核心板、ADDA模块

实验现象
实现基于FPGA的多通道可调信号发生器，其中频率、相位以及幅值均可通过PC端串口发送数据对应调节，并可实现4路信号的同步。
实验原理及设计过程
经过前面小梅哥基础课程的学习，相信已经对FPGA的设计有了一定程度的了解，现在提出一个相对综合的工程应用来深入了解FPGA的设计思路以及工程思想等。
针对以上预期实验现象可以分析出最少需要DDS模块、TLC5620控制模块、串口接收模块以及控制模块。
DDS原理与实现
DDS(Direct Digital Synthesizer)即数字合成器，是一种新型的频率合成技术，具有相对带宽大，频率转换时间短、分辨率高和相位连续性好等优点。较容易实现频率、相位以及幅度的数控调制，广泛应用于通信领域。
DDS 的基本结构图如图1所示。

图1 DDS基本结构图

由图1可以看出，DDS主要由相位累加器、相位调制器、波形数据表以及 D/A 转换器构成。
其中相位累加器由 N位加法器与N位寄存器构成。每来一个时钟，加法器就将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。即在每一个时钟脉冲输入时，相位累加器便把频率控制字累加一次。
相位累加器输出的数据就是合成信号的相位。相位累加器的溢出频率，就是 DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据，作为波形存储器的相位采样地址，这样就可以把存储在波形存储器里的波形采样值经查表找出，完成相位到幅度的转换。波形存储器的输出送到 D/A 转换器，由 D/A 转换器将数字信号转换成模拟信号输出。
DDS信号流程示意图如图2所示。

图2 DDS原理流程图

这里相位累加器位数为N位（N的取值范围实际应用中一般为24~32），相当于把正弦信号在相位上的精度定义为N位，所以其分辨率为 。
若DDS的时钟频率为 ，频率控制字fword为 1，则输出频率为 ，这个频率相当于“基频”。若fword为 B，则输出频率为 。
因此理论上由以上三个参数就可以得出任意的 输出频率。且可得出频率分辨率由时钟频率和累加器的位数决定。当参考时钟频率越高，累加器位数越高，输出频率分辨率就越高。
从上式分析可得，当系统输入时钟频率 不变时，输出信号频率由频率控制字M所决定，由上式可得： 。其中B为频率字且只能取整数。为了合理控制ROM的容量此处选取ROM查询的地址时，可以采用截断式，即只取32位累加器的高M位。这里相位寄存器输出的位数一般取10~16位。
在本设计中参考时钟 频率为50 MHz，相位累加器位数N取32位，频率控制字位数M 取12位。
经过以上的分析，可以得出DDS模块的端口模块图如图3所示。

图3 DDS模块接口示意图

其中，每个端口的功能描述如表1所示。

表1 DDS模块功能描述

新建DDS_Module.v保存至rtl文件夹下。从图3以及表1就得到了端口列表：

以下只需按照图1进行编写。相位累加器此处即为一个32bit的加法器。

查找表地址生成，此处即为12bit的加法器。这里直接截取32位累加器结果中的高12位作为ROM的查询地址，这样产生的误差会对频谱纯度有影响，但是对波形的精度的影响是可以忽略的。

DA数据输出时钟模块使能，通过选择器来进行控制。

现在只需要例化存有波形文件的ROM即可。其中单端口的ROM主要配置数据如图4所示，其初始化文件选为已经生成的正弦mif文件。此处mif位宽为10，深度为4096。

图4 ROM主要配置参数

这样例化到DDS_Module中即为如下内容。

本模块编译无误后，点击RTL Viewer后可以看到如图5所示的模块逻辑电路图，可与DDS原理图对比。这里有两个选择器的原因是加了使能端的缘故，如果将使能端去掉即可看到如图6所示的电路图

图5 DDS模块设计逻辑电路图

图6 DDS模块简化逻辑电路图

设置此文件为顶层进行功能仿真。激励文件中除了产生正常的时钟以及模块例化调用，还需使能模块以及设置自加字。此处简化将Fword设置为固定值’d5000，。

编译无误后设置好仿真脚本并进行仿真，可以看到如图7所示的功能仿真波形文件，可以看出波形数据正常。放大仿真开始位置，可以看出输出DA时钟使能设计也正常。初始值为’d511也就是’h1ff，与初始化mif文件一致。

图7 DDS模块功能仿真波形

图8 DDS模块部分放大波形文件

这样一个DDS模块即设计完成，这里可以自行修改Pword的值进行观察波形相位是否发生相应变化。
数模转换器（DAC）控制模块设计
这里采用DAC芯片为芯航线AD/DA模块上的TLC5620。其中TLC5620模块的设计与实现在基础课第17讲已经详细阐述，此处不再对本部分进行解释。其模块接口示意图9所示，其接口对应的功能描述如表2所示。

图9 DA模块端口接口示意图

表2 DA模块接口功能描述

多通道数据输出实现
本节需实现的是多通道的信号发生器。而此处的ADDA模块最多支持四通道，这里就要轮询控制各个通道并输入相应的控制字。将此模块命名为DAC_4CH，其模块接口示意图如图10所示。

图10 DAC通道选择模块接口示意图

其每个接口功能描述如表3所示。

表3 DAC通道选择模块接口功能描述

由以上表分析可知其端口列表如下：

这里在调用TLC5620时，直接将其转换使能信号UpdateDone信号置1来简化控制。

实现轮询，就是在时钟上升沿到来时，每当一次TLC5620转换完成后，就开始选通下一个通道。

在选通对应通道后，DDS产生的数据只需给控制字即可。

由基础课程可知TLC5620控制字的构成是两位的通道选择字、电压增益选择字以及八位数据位。因此直接采取位拼接方式即可。

串口命令接收与解析
这里使用的串口接收模块波特率为9600，具体实现方式在基础课程的第12讲已经阐述，此处不再详细解释。其模块接口示意图如图11所示，接口对应功能描述如表4所示。

图11 串口接收模块接口示意图

表4 串口接收模块接口功能描述

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