零基礎學FPGA (二十六)頻、相可調,任意波形信號發生器系統設計

　　最近接了一個項目吧，是我們學校物理院院長帶的研究生搞的，小墨有幸跟他們合作，負責FPGA方面的工作，完成後據說還會申請國家專利，具體到什麼時候完成，那可能就是猴年馬月了，或者說我已經不在學校了。從今天開始，小墨將開始接觸賽靈思公司的FPGA(老師提供的平臺)，用到的當然是SOPC。其實做做項目也好，讓自己鍛鍊一下，我也好久沒有做大一點的項目了，對我來說也是一個機會吧。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/284116.htm

　　信號發生器這個東西相信大家都知道，關於基於DDS信號發生器的技術文檔網上也多的是，但是我還是想寫一下這部分的教學，因為從我自身的學習來看，這部分內容並不是很難，也很容易實現，代碼也就那幾行。但是，我發現我當時學這部分的時候，從網上找資料，大部分都是基於原理的講解，或者說只是做到仿真這一步，而且原理的講解太過書面化，初學者不怎麼好理解。我做了這麼一個教程，全方面的做一個這樣一個系統。其中包括信號發生器的原理部分，代碼實現，仿真，按鍵控制頻率、相位變換，包括正弦波、方波、鋸齒波、三角波的產生，以及D/A轉換晶片的操作，直到能夠在示波器上觀察到我們產生的波形，並通過按鍵控制為止。

　　這個系統的設計大概花了我三四天的樣子，寫的也是蠻用心的，工程不是很大，但還是有些細節需要注意的，下面我們就一步步的開始做。

　　一、整體框架

　　關於原理部分，書上講的很多，但是總是感覺不盡人意，過於書面化的語言讓人看著很頭疼，下面就讓小墨來給大家解釋，希望給讀者帶來一種眼前一亮的感覺，讓你再回去看書，看代碼的時候覺得得心應手了。

　　首先我們應該先明確要做什麼，我們要做的是一個頻率，相位可調，任意波形信號發生器，也就是我們常見的正弦波，方波，鋸齒波，三角波等。

　　其次，我們需要知道我們需要哪些參數。比如，我們要生成一個正弦波，它的初始頻率是多少，相位是多少，步進頻率、相位是多少，怎麼計算這些參數?

　　然後我們需要知道如何生成一種波形，怎麼樣通過按鍵實現波形與波形之間的轉換，例如我按下一個鍵生成正弦波，再按下一個鍵生成三角波，怎麼實現?

　　再然後，我們需要把生成的數位訊號送入D/A轉換晶片，D/A轉換的接口怎麼寫?怎麼保證採集的數位訊號完全正確?

　　最後，我們可以通過示波器觀察我們生成的波形信號，驗證我們的頻率，相位是否符合我們的設計要求

　　下面是我簡單的做的一個框架圖

　　下面我們先來解釋一下上面這張框架圖。

　　首先，我們通過8位按鍵選擇輸出何種波形，這時候wave_select信號被賦予相應的值送給DDS模塊，DDS模塊由wave_select信號，從ROM中選擇合適的地址，地址每變化一次，也就是數據每變化一次，DDS模塊會告知DAC模塊數據發生變化了，讓它注意數據的採集，不要採錯了!同時可以通過按鍵控制模塊調節輸出信號的頻率，相位等，DAC模塊將採集到的數位訊號轉化成模擬信號，送到示波器上顯示。注意DAC晶片的採樣頻率，DDS信號的輸出頻率不能大於採集頻率，否則數據就會出錯。

　　二、DDS信號發生器原理詳解

　　關於發生器原理這樣部分有必要好好講講，很多人還是對某系問題不得其解，先來看這張圖

　　DDS基本的結構組成，看圖就知道了，包括相位累加器，相位調製器，波形數據表，和DA轉換。我們還可以看到有兩個輸入，即頻率控制字輸入fword 和相位控制字輸入 pword，這兩個輸入就是我們用來控制輸出波形頻率和相位的

　　1、相位累加器

　　相位累加器的原理，我們先假設頻率控制字fword 為1。相位累加器的原理就是先將fword的值送到相位累加器，然後每來一個時鐘，相位累加器的輸出值，就跟相位累加器的新輸入值相加，之後再送入相位累加器，再來一個時鐘，再跟輸入值相加送進去，如此循環。例如剛開始fword = 1 ，那麼第一個時鐘周期相位累加器的輸出就是1，第二個時鐘周期輸出的就是2，第三個時鐘周期輸出的就是3。再例如，我們的頻率控制字fword 剛開始等於2，那麼相位累加器輸出的就依次是0，2，4.....也就是說頻率控制字fword 越大，相位累加器的輸出值間隔也就越大，那麼我們假設相位累加器的輸出是32位的，如果fword越大，那麼頻率控制字記完到2^32 的時間就越短。這樣的話，我們來算一下

　　我們使用的是50M的晶振，周期為20ns，假設fword為1，相位累加器的輸出為N位的，那麼每20ns，相位累加器加1，要加到2^N，需要20ns x 2^N 時間，這個時間就是輸出一個完整信號的周期，那麼我們可以知道，輸出信號的頻率為 Fout = Fclk /2^N，其中，Fclk為我們的晶振頻率，再假如，fword = B 的時候，相位間隔提高 B 倍，因此計滿一個周期的時間縮小了 B 倍，頻率提高的 B 倍。綜上所述，我們得出了輸出信號的頻率計算公式

　　有了這個公式，那麼，如果我們把2^N看成是一個周期波形的相位，也就是說把一個波形的相位平均分成2^N個，每一個相位對應一個數位訊號，將這些數位訊號送到DA轉換晶片，轉化成模擬信號，不就是我們的信號發生器了嗎?

　　好，這裡我們假設N = 32 ，也就是把一個波形的相位分成了2^32個點，但是位數越多當然佔用的資源也就越多，不能取那麼多，怎麼辦呢，我們只取它的高8位即可

　　即取fre_add[31:24] ,將這8位數送給ROM的地址。很多人不明白了，為什麼這樣取8位，這樣取8位不是把一個完整的信號給截斷了嗎?剛開始我也有這麼想過，但是仔細算一下才知道自己是多慮了。用計算器算一下知道，2^32 = 4.3x 10^9 左右，而2^24 = 16 x 10^6 左右，前後差了幾個數量級，所以，我們取fre_add[31:24]，相當於把一個波形的相位分成了256個點，每個點對應一個數據。

　　二、ROM

　　上一部分說了，我們將一個波形分成了256個點，每個點對應一個數據，那麼我們怎麼實現呢，這裡就要用到我們的只讀存儲器ROM了，我們可以先把波形的數據送到ROM裡存起來，然後再從中取，取的地址就是我們的fre_add[31:24]這8位數，由此看來，fword越大，這256個地址取址的間隔就越大，相應的波形頻率也就越大了，當然，我們的ROM不光存儲一個波形，我們可以把ROM設大一點，裡面放多種波形，再通過按鍵進行相應的選址，從而輸出各種波形

　　說到這裡有些人該問了，怎麼將數據送到ROM裡去呢?這個的話就設計到mif文件的製作，具體怎麼做大家還是自己回去補課了，不一一介紹了，但是我這裡有一個mif文件生成器，網上也有下載，可以生成各種波形，也可以進行相關參數的修改，注意保存的時候保存成.mif格式的文件即可，調用的時候在IP核 ROM的配置的時候調用就好了，但是要注意位寬。

　　三 、相位調製器

　　相位調製器部分就簡單了，就是相位累加器取好的的8位ROM地址，我們可以通過按鍵進行加加減減，從而控制ROM取址的不同，從而控制波形的相位

　　四 、參數計算

　　由上面的公式我們知道了輸出波形的頻率計算公式，當fword =1的時候我們算一下

　　輸出頻率 Fout = 50_000000 / 2^32 = 0.01，就是個大約值了，也就是說，在fword =1的時候，我們的輸出波形的頻率為0.01HZ，假設我們讓波形初始化的時候輸出的是一個100HZ的正弦波，那麼，我們應該設定fword = 10000，相位的話可以隨便設置，我們就默認為0相位好了。如果要進行頻率，相位可調，我們只需要讓fword每次加100，就相當於頻率步進為1HZ了，當然，由於我們的地址是8位的，那麼，步進的相位就是 360 /256，大概等於1.4度吧。

　　還有，既然頻率為100HZ，也就是周期為0.01s，ROM要在0.01s內要輸出256個數，那麼每輸出一個數的時間為0.01 /256 大概為 39us的樣子，因此，我們的DAC的採集頻率不能比ROM的輸出頻率小了，否則的話採集到的數據是不準確的

　　綜上所述，我們總結一下

　　輸出頻率： 100HZ

　　輸出相位：0

　　步進頻率：1HZ

　　步進相位：1.4度

　　DAC採集時間：小於39us

　　當然在一般情況下 DAC的採集頻率是遠大於ROM的輸出頻率的，只要信號輸出頻率不是特別快，採集正確還是有保證的。為了保證採集的正確性，我特別加了一個數據變化檢測部分，一但數據發生變化，就告知DAC模塊，做相應處理

　　一切準備就緒，我們可以做一下仿真，具體的仿真調試過程不做詳解，還是大家自己動手去做的過程

　　五、DAC接口電路

　　DA晶片我用的是TLC5620這塊晶片，這塊晶片是四路輸出，8位的的數模準換晶片，晶片的操作不是很難，我們還是先來看一下晶片的datasheet

　　DA晶片有這幾個管腳需要用到，分別是

　　dac_clk，用於產生DAC的工作時鐘，說明文檔上說時鐘最大為1M，而我們的晶振為50M因此我們需要做個分頻，我做了個64分頻，當然是為了穩定，如果可以大家也可以試試更高的頻率

　　dac_data ， 是串行輸入的接口，用來接收數位訊號

　　dac_load ，將接收來的數位訊號開始轉化成模擬信號的使能端，低電平有效，要持續最低250ns

　　dac_ldac ， dac信號刷新控制端，當dac為低電平的時候一直有模擬信號輸出，否則不再刷新

　　上面那個時序圖大體解釋一下，就是在load信號是高電平期間，每來一個DAC工作時鐘的下降沿，就將1位數據通過dac_data埠送到DAC晶片內部的移位寄存器中，寄存器是11位的，前兩位為輸出模擬信號的通道號，第三位是用來計算輸出電壓用的一個參數吧，低8位是輸入的數位訊號，當移位寄存器存滿之後，給一個load信號，工作時鐘處於不工作狀態，注意，這一點很重要，我當時就是不知道這一點，一直調不好，就是在轉換期間，讓工作時鐘處於非工作狀態，等待250ns之後，將load拉高，進行下一次採集。

　　關於代碼的分析這裡也不做詳細分析了，大家還是自行消化，這裡只傳一部分，關於數據的發送部分的代碼

　　每來一個時鐘，送一位數據給dac_data埠，送滿移位寄存器為止，當移位寄存器計滿的時候，load拉低，同時時鐘停止工作，bit_counter 清零，等待下一次採集。當然當數據發生變化的時候，也就是data_change 信號來的時候，bit_counter 也清零，重新採集，避免採集錯誤

　　全部模塊編譯完成之後，我們就可以用示波器來檢測我們的結果了

　　由示波器的結果我們可以看到，輸出電壓峰值為2.5V，當然這是由晶片決定的，輸出頻率為116HZ，大體符合我們的要求，畢竟我們很多參數做了近似，再通過按鍵進行波形的變換，發現各波形輸出正常，只有方波和鋸齒波，在電壓下降的時候變化有點緩慢，當然這也得考慮我們晶片的因素，畢竟電壓不能變化的那麼快，也屬於正常情況

　　波形顯示正常，下面通過按鍵來調節波形的頻率和相位，可是實現實時顯示的功能，發現頻率，相位都有所改變

　　當然，這個工程也有做的不好的地方，例如，再進行相位調節的時候，由於各種波形的地址在ROM裡面是挨在一起的，這樣進行相位調節會侵犯其他波形的地址，這一點我當時也考慮過了，短時間內沒有想出更好的辦法，可以用多個ROM，其他的辦法還請大家自己動腦子想一下吧，想出來了可以給我留言，大家一起交流嘛

　　好了，這一次主要還是講了一下工程的全過程，沒有仔細講代碼編寫的具體過程，也沒有講仿真時候的操作流程，這些部分還是留給讀者慢慢去摸索，畢竟這也是一個學習的過程，今天就到這裡吧，由於小墨手上也有了項目，平時還要上課，更新速度方面應該不是很快!謝謝大家的支持~