一種基于Spartan3E的DDS優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　在使用DDS時(shí)，需要為其提供頻率控制字K的值，一般通過中央控制單元MCU來完成，其以數(shù)據(jù)總線及寫時(shí)鐘信號(hào)的方式與FPGA內(nèi)的DDS實(shí)體進(jìn)行通訊，同時(shí)DDS在FPGA內(nèi)部又是在本地時(shí)鐘fc驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行。由于MCU的寫時(shí)鐘和FPGA內(nèi)的本地時(shí)鐘異步，兩者之間進(jìn)行通訊難免存在數(shù)據(jù)不穩(wěn)等問題，特別是在通訊速度較高時(shí)，這一異步接口問題會(huì)更加突出。為了實(shí)現(xiàn)異步接口的同步化，本文提出了如圖3所示的接口同步電路。

3 硬件實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果

　　本文使用VHDL 語言對(duì)各個(gè)模塊及DDS系統(tǒng)進(jìn)行描述。頂層文件如下所示：

　　Entity dds is

　　Port(reset：in std_logic;--全局復(fù)位信號(hào)

　　fre：in std_logic_vector(7 downto 0);

　　--頻率控制字輸入

　　clk：in std_logic;

　　--系統(tǒng)時(shí)鐘

　　fwwrn：in std_logic;　　　　　　--頻率控制字寫信號(hào)

　　gen：in std_logic_vector(0 downto 0);--波形控制字

　　amp_out：out std_logic_vector(9 downto 0));

　　--正弦波幅度輸出

　　end dds;

　　architecture Behavioral of dds is

　　component fcwld--接口同步模塊

　　Port(reset：in std_logic;

　　clk：in std_logic;

　　fre：in std_logic_vector(7 downto 0);

　　fwwrn：in std_logic;

　　syncfreq：out std_logic_vector(31 downto 0));

　　--合成頻率控制字

　　end component;

　　component accumulator　　　　　　　　--流水線累加器塊

　　Port(reset：in STD_LOGIC;

　　clk：in STD_LOGIC;

　　syncfreq：in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);

　　phase：out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));

　　--相位高八位輸出

　　end component;

　　component rom--波形存儲(chǔ)器模塊

　　Port(phase：in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);

　　gen：in STD_LOGIC_VECTOR(0 downto 0);

　　amp_out：out STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0));

　　end component;

　　為了對(duì)DDS進(jìn)行評(píng)估，將以上設(shè)計(jì)在Xilinx公司的開發(fā)軟件中進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化，目標(biāo)器件為其最新的90nm工藝器件Spartan3E中最小器件XC3S100E-4VQ100C，該設(shè)計(jì)所占用的FPGA資源如表2所示。

　　由表2可以看出，本文給出的DDS設(shè)計(jì)占用資源很少，由于XC3S100E的市場(chǎng)價(jià)格在2美金左右，故本設(shè)計(jì)所占的硬件成本可以縮減到0.2美金左右。同時(shí)在ISE8.2中該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)鐘最大達(dá)到159.6MHz。以上的設(shè)計(jì)性能幾乎和現(xiàn)有的專用芯片相當(dāng)，但成本下降很多。

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文給出的DDS設(shè)計(jì)系統(tǒng)在功能和時(shí)序上的正確性，對(duì)其進(jìn)行了時(shí)序仿真，使用的仿真軟件為Modelsim6.1。仿真結(jié)果表明，該DDS系統(tǒng)可以運(yùn)行在較高的工作頻率下。

　　本文在對(duì)DDS的基本原理進(jìn)行深入理解的基礎(chǔ)上，通過采用三種優(yōu)化與設(shè)計(jì)技術(shù)：(1)使用流水線累加器在不過多增加門數(shù)的條件下，大幅提高了芯片的工作速度;(2)壓縮成正弦查找表，在保證芯片使用精度的情況下減少了近3/4面積，大大節(jié)約了ROM的容量。(3)采用同步接口電路設(shè)計(jì)方案，消除了系統(tǒng)的接口不穩(wěn)定性。同時(shí)使用VHDL語言實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，并把該設(shè)計(jì)適配到Xilinx公司的最新90nm工藝的Spartan3E系列的FPGA中，實(shí)際結(jié)果表明了本文給出的DDS設(shè)計(jì)方案在硬件開銷方面的優(yōu)勢(shì)。