FPGA设计——正弦信号发生器

本文介绍了一种基于FPGA实现的简单正弦信号发生器设计方案,详细阐述了直接数字频率合成(DDS)原理及其应用,并给出了DAC控制逻辑的具体实现代码。
  1. 概述

    FPGA具有高度实时的特性。这里讨论基于FPGA设计一款简单的正弦信号发生器。


  2. DDS原理

    Direct Digital frequency Synthesis如下图所示:

    wKioL1faz36yECMGAABN7WNQ_2A773.jpg


3. DAC原理

这里DAC采用TLC5620,下面分别给出DAC的原理图和时序图。

wKiom1fa0YnjorWpAACq6sE1bq4849.jpg

wKiom1fa0cvBWpSuAABusQIHoeM399.jpg


4. ROM文件的生成

ROM波形可以通过MIF或HEX文件保存在FPGA的ram或rom模块中,也可以自己编写HDL文件存储。这里我们采用后者。

利用win-tcmatlab生产所需格式的函数数据,参考C代码如下:

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#include "stdio.h"
#include "math.h"
#definePi 3.1416
#defineDEPTH 256
#defineLENTH DEPTH/2
intmain()
{
     FILE *fp;
     int  j;
     unsigned  char  i= 0;
     unsigned  char  x= 0;
     if ((fp= fopen ( "d:\\sin.txt" , "w" ))==NULL)
     {
         printf ( "can't open this file..\n" );
         exit (0);
     }
     for (j=0;j<DEPTH;j++)
     {
         x=( int )(LENTH+LENTH* sin (2*Pi*i/DEPTH - 0.5*Pi));
         fprintf (fp, " 'd%d: data = 'h%x;\n" ,i,x);
         i++;
     }
     fprintf (fp, "\n" );
     fclose (fp);
     printf ( "success\n" );
     return  0;
}


5. DAC控制逻辑设计

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module dac_ctrl(
         input clk,
         input rst_n,
         
         output reg dac_clk,
         output reg dac_load,
         output reg dac_ldac,
         output reg dac_dat,
         
         input [7:0] rom_dat,
         output reg [7:0] rom_addr,
         
         input [7:0] freq_ctrl
);
 
//=====================================
//The frequency of clk is divided by N
parameter bitsize = 4;
parameter N = 20;
 
reg [bitsize:0] cnt0;
 
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin 
     if (!rst_n)
     begin
         cnt0 <= 0;
         dac_clk <= 0;
     end
     else
     begin
         if (cnt0 < (N/2-1)) 
             cnt0 <= cnt0 + 1'b1;
         else
             cnt0 <= 0;
         if (cnt0==0 && cnt1 >=1 && cnt1 <= 4'hb) 
             dac_clk <= ~ dac_clk;
         else
             dac_clk <= dac_clk;
     end
end
 
wire clk_1M;
 
assign clk_1M = (cnt0 == 0)?1 'b1:1' b0;
 
//======================================
 
reg [3:0] cnt1;
 
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin 
     if (!rst_n)
         cnt1 <= 0;
     else
         if (clk_1M)
             cnt1 <= cnt1 + 1'b1;
         else
             cnt1 <= cnt1;
end
 
reg [7:0] cnt2;
 
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
     if (!rst_n)
         cnt2 <= 0;
     else
         if (cnt1 == 4'hf)
             if (cnt2 != freq_ctrl)
                 cnt2 <= cnt2 + 1'b1;
             else
                 cnt2 <= 0;
         else
             cnt2 <= cnt2;
end
         
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
     if (!rst_n)
         rom_addr <= 0;
     else
         if (clk_1M && cnt1==4'hf && cnt2 == freq_ctrl)
             rom_addr <= rom_addr + 1'b1;
         else
             rom_addr <= rom_addr;
end
 
always @(cnt1)
begin
     case (cnt1)
     4'h1: begin
                 dac_dat <= 1'b0;
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end
     4'h2: begin
                 dac_dat <= 1'b0;
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end
     4'h3: begin
                 dac_dat <= 1'b1;
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end
     4'h4: begin
                 dac_dat <= rom_dat[7];
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end
     4'h5: begin
                 dac_dat <= rom_dat[6];
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end
     4'h6: begin
                 dac_dat <= rom_dat[5];
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end        
     4'h7: begin
                 dac_dat <= rom_dat[4];
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end        
     4'h8: begin
                 dac_dat <= rom_dat[3];
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end        
     4'h9: begin
                 dac_dat <= rom_dat[2];
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end        
     4'ha: begin
                 dac_dat <= rom_dat[1];
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end        
     4'hb: begin
                 dac_dat <= rom_dat[0];
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end
     4'hc: begin
                 dac_dat <= 1'b0;
                 dac_load <= 1'b0;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end
     4'hd: begin
                 dac_dat <= 1'bx;
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b0;
             end
     default
             begin
                 dac_dat <= 1'bx;
                 dac_load <= 1'b1;
                 dac_ldac <= 1'b1;
             end
     endcase
end
             
endmodule


6. 测试结果

wKiom1fa0xKRhCFDAADrC6APUzM357.jpg



本文转自 shugenyin 51CTO博客,原文链接:http://blog.51cto.com/shugenyin/1853053

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