零基礎(chǔ)學FPGA （二十六）頻、相可調(diào)，任意波形信號發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)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，完成后據(jù)說還會申請國家專利，具體到什么時候完成，那可能就是猴年馬月了，或者說我已經(jīng)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，讓自己鍛煉一下，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。

　　信號發(fā)生器這個東西相信大家都知道，關(guān)于基于DDS信號發(fā)生器的技術(shù)文檔網(wǎng)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(nèi)容并不是很難，也很容易實現(xiàn)，代碼也就那幾行。但是，我發(fā)現(xiàn)我當時學這部分的時候，從網(wǎng)上找資料，大部分都是基于原理的講解，或者說只是做到仿真這一步，而且原理的講解太過書面化，初學者不怎么好理解。我做了這么一個教程，全方面的做一個這樣一個系統(tǒng)。其中包括信號發(fā)生器的原理部分，代碼實現(xiàn)，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(chǎn)生，以及D/A轉(zhuǎn)換芯片的操作，直到能夠在示波器上觀察到我們產(chǎn)生的波形，并通過按鍵控制為止。

　　這個系統(tǒng)的設(shè)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(jié)需要注意的，下面我們就一步步的開始做。

　　一、整體框架

　　關(guān)于原理部分，書上講的很多，但是總是感覺不盡人意，過于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(yīng)手了。

　　首先我們應(yīng)該先明確要做什么，我們要做的是一個頻率，相位可調(diào)，任意波形信號發(fā)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(shù)。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，怎么計算這些參數(shù)?

　　然后我們需要知道如何生成一種波形，怎么樣通過按鍵實現(xiàn)波形與波形之間的轉(zhuǎn)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，怎么實現(xiàn)?

　　再然后，我們需要把生成的數(shù)字信號送入D/A轉(zhuǎn)換芯片，D/A轉(zhuǎn)換的接口怎么寫?怎么保證采集的數(shù)字信號完全正確?

　　最后，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(shè)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(yīng)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(shù)據(jù)每變化一次，DDS模塊會告知DAC模塊數(shù)據(jù)發(fā)生變化了，讓它注意數(shù)據(jù)的采集，不要采錯了!同時可以通過按鍵控制模塊調(diào)節(jié)輸出信號的頻率，相位等，DAC模塊將采集到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，送到示波器上顯示。注意DAC芯片的采樣頻率，DDS信號的輸出頻率不能大于采集頻率，否則數(shù)據(jù)就會出錯。

　　二、DDS信號發(fā)生器原理詳解

　　關(guān)于發(fā)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(jié)構(gòu)組成，看圖就知道了，包括相位累加器，相位調(diào)制器，波形數(shù)據(jù)表，和DA轉(zhuǎn)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(shè)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，然后每來一個時鐘，相位累加器的輸出值，就跟相位累加器的新輸入值相加，之后再送入相位累加器，再來一個時鐘，再跟輸入值相加送進去，如此循環(huán)。例如剛開始fword = 1 ，那么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 剛開始等于2，那么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，那么我們假設(shè)相位累加器的輸出是32位的，如果fword越大，那么頻率控制字記完到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(shè)fword為1，相位累加器的輸出為N位的，那么每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，那么我們可以知道，輸出信號的頻率為 Fout = Fclk /2^N，其中，F(xiàn)clk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，那么，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(yīng)一個數(shù)字信號，將這些數(shù)字信號送到DA轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)化成模擬信號，不就是我們的信號發(fā)生器了嗎?

　　好，這里我們假設(shè)N = 32 ，也就是把一個波形的相位分成了2^32個點，但是位數(shù)越多當然占用的資源也就越多，不能取那么多，怎么辦呢，我們只取它的高8位即可

　　即取fre_add[31:24] ,將這8位數(shù)送給ROM的地址。很多人不明白了，為什么這樣取8位，這樣取8位不是把一個完整的信號給截斷了嗎?剛開始我也有這么想過，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，前后差了幾個數(shù)量級，所以，我們?nèi)re_add[31:24]，相當于把一個波形的相位分成了256個點，每個點對應(yīng)一個數(shù)據(jù)。

　　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(yīng)一個數(shù)據(jù)，那么我們怎么實現(xiàn)呢，這里就要用到我們的只讀存儲器ROM了，我們可以先把波形的數(shù)據(jù)送到ROM里存起來，然后再從中取，取的地址就是我們的fre_add[31:24]這8位數(shù)，由此看來，fword越大，這256個地址取址的間隔就越大，相應(yīng)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(shè)大一點，里面放多種波形，再通過按鍵進行相應(yīng)的選址，從而輸出各種波形

　　說到這里有些人該問了，怎么將數(shù)據(jù)送到ROM里去呢?這個的話就設(shè)計到mif文件的制作，具體怎么做大家還是自己回去補課了，不一一介紹了，但是我這里有一個mif文件生成器，網(wǎng)上也有下載，可以生成各種波形，也可以進行相關(guān)參數(shù)的修改，注意保存的時候保存成.mif格式的文件即可，調(diào)用的時候在IP核 ROM的配置的時候調(diào)用就好了，但是要注意位寬。

　　三 、相位調(diào)制器

　　相位調(diào)制器部分就簡單了，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(shù)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(shè)我們讓波形初始化的時候輸出的是一個100HZ的正弦波，那么，我們應(yīng)該設(shè)定fword = 10000，相位的話可以隨便設(shè)置，我們就默認為0相位好了。如果要進行頻率，相位可調(diào)，我們只需要讓fword每次加100，就相當于頻率步進為1HZ了，當然，由于我們的地址是8位的，那么，步進的相位就是 360 /256，大概等于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(nèi)要輸出256個數(shù)，那么每輸出一個數(shù)的時間為0.01 /256 大概為 39us的樣子，因此，我們的DAC的采集頻率不能比ROM的輸出頻率小了，否則的話采集到的數(shù)據(jù)是不準確的

　　綜上所述，我們總結(jié)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采集時間：小于39us

　　當然在一般情況下 DAC的采集頻率是遠大于ROM的輸出頻率的，只要信號輸出頻率不是特別快，采集正確還是有保證的。為了保證采集的正確性，我特別加了一個數(shù)據(jù)變化檢測部分，一但數(shù)據(jù)發(fā)生變化，就告知DAC模塊，做相應(yīng)處理

　　一切準備就緒，我們可以做一下仿真，具體的仿真調(diào)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芯片我用的是TLC5620這塊芯片，這塊芯片是四路輸出，8位的的數(shù)模準換芯片，芯片的操作不是很難，我們還是先來看一下芯片的datasheet

　　DA芯片有這幾個管腳需要用到，分別是

　　dac_clk，用于產(chǎn)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(wěn)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(shù)字信號

　　dac_load ，將接收來的數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)化成模擬信號的使能端，低電平有效，要持續(xù)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(shù)據(jù)通過dac_data端口送到DAC芯片內(nèi)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(shù)吧，低8位是輸入的數(shù)字信號，當移位寄存器存滿之后，給一個load信號，工作時鐘處于不工作狀態(tài)，注意，這一點很重要，我當時就是不知道這一點，一直調(diào)不好，就是在轉(zhuǎn)換期間，讓工作時鐘處于非工作狀態(tài)，等待250ns之后，將load拉高，進行下一次采集。

　　關(guān)于代碼的分析這里也不做詳細分析了，大家還是自行消化，這里只傳一部分，關(guān)于數(shù)據(jù)的發(fā)送部分的代碼

　　每來一個時鐘，送一位數(shù)據(jù)給dac_data端口，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，等待下一次采集。當然當數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時候，也就是data_change 信號來的時候，bit_counter 也清零，重新采集，避免采集錯誤

　　全部模塊編譯完成之后，我們就可以用示波器來檢測我們的結(jié)果了

　　由示波器的結(jié)果我們可以看到，輸出電壓峰值為2.5V，當然這是由芯片決定的，輸出頻率為116HZ，大體符合我們的要求，畢竟我們很多參數(shù)做了近似，再通過按鍵進行波形的變換，發(fā)現(xiàn)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芯片的因素，畢竟電壓不能變化的那么快，也屬于正常情況

　　波形顯示正常，下面通過按鍵來調(diào)節(jié)波形的頻率和相位，可是實現(xiàn)實時顯示的功能，發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)的時候，由于各種波形的地址在ROM里面是挨在一起的，這樣進行相位調(diào)節(jié)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(nèi)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，今天就到這里吧，由于小墨手上也有了項目，平時還要上課，更新速度方面應(yīng)該不是很快!謝謝大家的支持~