DDS信号发生器设计（Quartus）

原创已于 2025-04-15 23:07:21 修改 · 744 阅读

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#fpga开发

于 2025-04-15 21:55:14 首次发布

目标

设计一个DDS信号发生器，利用DDS技术合成正弦波和方波，输出信号的频率范围为10Hz～5MHz，最小频率分辨率小于1kHz，使用嵌入式逻辑分析仪Signal Tap实时测试输出波形的离散数据。

原理

虽然正弦波的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增加的，DDS正是利用了这一特点来产生正弦信号。因为一个连续的正弦信号其相位是时间的线性函数，相位对时间的导数为ω，即

θ(t)=2ftπ=ωt

dθ(t)/dt=2fπ=ω

当角频率ω为一定值时，其相位斜率dθ/dt也是一个确定值。此时，正弦波形信号的相位与时间呈线性关系，即Δθ=ω×Δt。根据这一基本关系，利用采样定理，通过查表法就能够产生波形。
如下是产生正弦信号的原理框图。图中CPi为系统基准时钟源，其周期为Ti，在CPi的作用下，地址计数器（从0~（2^n-1)计数）产生数据存储器所需的地址信号。在时钟作用下，周期性地读出正弦波形存储器中的正弦幅度值，经过D/A转换器及低通滤波器就可以合成模拟波形。
在这里插入图片描述

设计方案

在这里插入图片描述

电路设计

1.相位累加器设计

module addr_cnt(
    input CPi,
    input [12:0] K,
    input RSTn,
    output reg [9:0] ROMaddr,
    output reg [16:0] Address
);
    always @(posedge CPi or negedge RSTn) begin
        if (!RSTn) begin
            Address <= 17'h00000;
            ROMaddr <= 10'h000;
        end else begin
            Address <= Address + K;
            ROMaddr <= Address[16:7];
        end
    end
endmodule

2.波形存储器设计
（1）方波模块

module squwave (
    input CPi,
    input RSTn,
    input [16:0] Address,
    output reg [11:0] Qsquare
);
    always @(posedge CPi) begin
        if (!RSTn) begin
            Qsquare <= 12'h000;
        end else begin
            Qsquare <= (Address[16]) ? 12'h000 : 12'hFFF;
        end
    end
endmodule

（2）正弦波形存储器模块

#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.=if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);
/*将一1~1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
}
}

编译运行程序生成mif文件
在这里插入图片描述
查看mif文件，主要调用了altsyncram_component这个模块

使用Tool里的IP Catalog搜索ROM
在这里插入图片描述
配置文件

导入mif文件

勾选生成

3.锁相环倍频电路设计
操作方法和2一致，但不需要导入mif文件，在IP Catalog里搜索ALTDLL，或者自己做一个简易的。

module PLL100M_CP (
    input inclk0,      // 50MHz输入时钟
    output reg c0,     // 100MHz输出时钟
    output locked      // 锁定指示
);
    reg [1:0] phase_counter;
    reg [7:0] lock_counter;
    
    initial begin
        c0 = 1'b0;
        phase_counter = 2'b00;
        lock_counter = 8'd0;
    end
    
    always @(posedge inclk0) begin
        phase_counter <= phase_counter + 1;
        
        // 每两个输入时钟周期翻转一次输出
        if (phase_counter == 2'b01) begin
            c0 <= ~c0;
        end
        
        // 锁定检测
        if (phase_counter == 2'b11) begin
            if (lock_counter < 8'd255) begin
                lock_counter <= lock_counter + 1;
            end
        end
    end
    
    assign locked = (lock_counter == 8'd255);
endmodule

4.顶层电路设计

module DDS_top (
    input CLOCK_50,
    input RSTn,
    input [1:0] WaveSel,
    input [12:0] K,
    output reg [11:0] WaveValue,
    output [0:0] LEDG,
    output CLOCK_100
);
    wire [9:0] ROMaddr;
    wire [16:0] Address;
    wire [11:0] Qsine, Qsquare;
    wire CPi = CLOCK_100;
    
    // PLL模块
    PLL100M_CP PLL100M_CP_inst (
        .inclk0(CLOCK_50),
        .c0(CLOCK_100),
        .locked(LEDG[0])
    );
    
    // 地址计数器
    addr_cnt U0_instance(
        .CPi(CPi),
        .K(K),
        .RSTn(RSTn),
        .ROMaddr(ROMaddr),
        .Address(Address)
    );
    
    // 正弦波ROM
    SineROM Sine1024_INST (
        .address(ROMaddr),
        .clock(CPi),
        .q(Qsine)
    );
    
    // 方波生成器
    squwave U1 (
        .CPi(CPi),
        .RSTn(RSTn),
        .Address(Address),
        .Qsquare(Qsquare)
    );
    
    // 波形选择器
    always @(posedge CPi) begin
        if (!RSTn) begin
            WaveValue <= 12'h000;
        end else begin
            case (WaveSel)
                2'b01: WaveValue <= Qsine;    // 正弦波
                2'b10: WaveValue <= Qsquare;   // 方波
                default: WaveValue <= Qsine;   // 默认正弦波
            endcase
        end
    end
endmodule

最后封装成使用KEY，SW可操控的模式

module WaveformGenerator (
    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(CLOCK_50),
        .RSTn(RSTn),
        .WaveSel(WaveSel),
        .K(K),
        .WaveValue(WaveValue),
        .LEDG(LEDG),
        .CLOCK_100(CLOCK_100)
    );
endmodule