零基礎學(xué)FPGA （二十六）頻、相可調，任意波形信號發(fā)生器系統設計

　　最近接了一個(gè)項目吧，是我們學(xué)校物理院院長(cháng)帶的研究生搞的，小墨有幸跟他們合作，負責FPGA方面的工作，完成后據說(shuō)還會(huì )申請國家專(zhuān)利，具體到什么時(shí)候完成，那可能就是猴年馬月了，或者說(shuō)我已經(jīng)不在學(xué)校了。從今天開(kāi)始，小墨將開(kāi)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(shí)做做項目也好，讓自己鍛煉一下，我也好久沒(méi)有做大一點(diǎn)的項目了，對我來(lái)說(shuō)也是一個(gè)機會(huì )吧。

　　信號發(fā)生器這個(gè)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(xiě)一下這部分的教學(xué)，因為從我自身的學(xué)習來(lái)看，這部分內容并不是很難，也很容易實(shí)現，代碼也就那幾行。但是，我發(fā)現我當時(shí)學(xué)這部分的時(shí)候，從網(wǎng)上找資料，大部分都是基于原理的講解，或者說(shuō)只是做到仿真這一步，而且原理的講解太過(guò)書(shū)面化，初學(xué)者不怎么好理解。我做了這么一個(gè)教程，全方面的做一個(gè)這樣一個(gè)系統。其中包括信號發(fā)生器的原理部分，代碼實(shí)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(chǎn)生，以及D/A轉換芯片的操作，直到能夠在示波器上觀(guān)察到我們產(chǎn)生的波形，并通過(guò)按鍵控制為止。

　　這個(gè)系統的設計大概花了我三四天的樣子，寫(xiě)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(kāi)始做。

　　一、整體框架

　　關(guān)于原理部分，書(shū)上講的很多，但是總是感覺(jué)不盡人意，過(guò)于書(shū)面化的語(yǔ)言讓人看著(zhù)很頭疼，下面就讓小墨來(lái)給大家解釋?zhuān)Ｍo讀者帶來(lái)一種眼前一亮的感覺(jué)，讓你再回去看書(shū)，看代碼的時(shí)候覺(jué)得得心應手了。

　　首先我們應該先明確要做什么，我們要做的是一個(gè)頻率，相位可調，任意波形信號發(fā)生器，也就是我們常見(jiàn)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(gè)正弦波，它的初始頻率是多少，相位是多少，步進(jìn)頻率、相位是多少，怎么計算這些參數?

　　然后我們需要知道如何生成一種波形，怎么樣通過(guò)按鍵實(shí)現波形與波形之間的轉換，例如我按下一個(gè)鍵生成正弦波，再按下一個(gè)鍵生成三角波，怎么實(shí)現?

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

　　最后，我們可以通過(guò)示波器觀(guān)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(jiǎn)單的做的一個(gè)框架圖

　　下面我們先來(lái)解釋一下上面這張框架圖。

　　首先，我們通過(guò)8位按鍵選擇輸出何種波形，這時(shí)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(huì )告知DAC模塊數據發(fā)生變化了，讓它注意數據的采集，不要采錯了!同時(shí)可以通過(guò)按鍵控制模塊調節輸出信號的頻率，相位等，DAC模塊將采集到的數字信號轉化成模擬信號，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，否則數據就會(huì )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(wèn)題不得其解，先來(lái)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，相位調制器，波形數據表，和DA轉換。我們還可以看到有兩個(gè)輸入，即頻率控制字輸入fword 和相位控制字輸入 pword，這兩個(gè)輸入就是我們用來(lái)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，然后每來(lái)一個(gè)時(shí)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(lái)一個(gè)時(shí)鐘，再跟輸入值相加送進(jìn)去，如此循環(huán)。例如剛開(kāi)始fword = 1 ，那么第一個(gè)時(shí)鐘周期相位累加器的輸出就是1，第二個(gè)時(shí)鐘周期輸出的就是2，第三個(gè)時(shí)鐘周期輸出的就是3。再例如，我們的頻率控制字fword 剛開(kāi)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(shuō)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(shí)間就越短。這樣的話(huà)，我們來(lái)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，那么每20ns，相位累加器加1，要加到2^N，需要20ns x 2^N 時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是輸出一個(gè)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，Fclk為我們的晶振頻率，再假如，fword = B 的時(shí)候，相位間隔提高 B 倍，因此計滿(mǎn)一個(gè)周期的時(shí)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(gè)公式，那么，如果我們把2^N看成是一個(gè)周期波形的相位，也就是說(shuō)把一個(gè)波形的相位平均分成2^N個(gè)，每一個(gè)相位對應一個(gè)數字信號，將這些數字信號送到DA轉換芯片，轉化成模擬信號，不就是我們的信號發(fā)生器了嗎?

　　好，這里我們假設N = 32 ，也就是把一個(gè)波形的相位分成了2^32個(gè)點(diǎn)，但是位數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(gè)完整的信號給截斷了嗎?剛開(kāi)始我也有這么想過(guò)，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(gè)數量級，所以，我們取fre_add[31:24]，相當于把一個(gè)波形的相位分成了256個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)對應一個(gè)數據。

　　二、ROM

　　上一部分說(shuō)了，我們將一個(gè)波形分成了256個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)對應一個(gè)數據，那么我們怎么實(shí)現呢，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據送到ROM里存起來(lái)，然后再從中取，取的地址就是我們的fre_add[31:24]這8位數，由此看來(lái)，fword越大，這256個(gè)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(gè)波形，我們可以把ROM設大一點(diǎn)，里面放多種波形，再通過(guò)按鍵進(jìn)行相應的選址，從而輸出各種波形

　　說(shuō)到這里有些人該問(wèn)了，怎么將數據送到ROM里去呢?這個(gè)的話(huà)就設計到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(gè)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(jìn)行相關(guān)參數的修改，注意保存的時(shí)候保存成.mif格式的文件即可，調用的時(shí)候在IP核 ROM的配置的時(shí)候調用就好了，但是要注意位寬。

　　三 、相位調制器

　　相位調制器部分就簡(jiǎn)單了，就是相位累加器取好的的8位ROM地址，我們可以通過(guò)按鍵進(jìn)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(shí)候我們算一下

　　輸出頻率 Fout = 50_000000 / 2^32 = 0.01，就是個(gè)大約值了，也就是說(shuō)，在fword =1的時(shí)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(shí)候輸出的是一個(gè)100HZ的正弦波，那么，我們應該設定fword = 10000，相位的話(huà)可以隨便設置，我們就默認為0相位好了。如果要進(jìn)行頻率，相位可調，我們只需要讓fword每次加100，就相當于頻率步進(jìn)為1HZ了，當然，由于我們的地址是8位的，那么，步進(jìn)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內要輸出256個(gè)數，那么每輸出一個(gè)數的時(shí)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(huà)采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(jìn)頻率：1HZ

　　步進(jìn)相位：1.4度

　　DAC采集時(shí)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(gè)數據變化檢測部分，一但數據發(fā)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(guò)程不做詳解，還是大家自己動(dòng)手去做的過(guò)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位的的數模準換芯片，芯片的操作不是很難，我們還是先來(lái)看一下芯片的datasheet

　　DA芯片有這幾個(gè)管腳需要用到，分別是

　　dac_clk，用于產(chǎn)生DAC的工作時(shí)鐘，說(shuō)明文檔上說(shuō)時(shí)鐘最大為1M，而我們的晶振為50M因此我們需要做個(gè)分頻，我做了個(gè)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(lái)接收數字信號

　　dac_load ，將接收來(lái)的數字信號開(kāi)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(shí)候一直有模擬信號輸出，否則不再刷新

　　上面那個(gè)時(shí)序圖大體解釋一下，就是在load信號是高電平期間，每來(lái)一個(gè)DAC工作時(shí)鐘的下降沿，就將1位數據通過(guò)dac_data端口送到DAC芯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(lái)計算輸出電壓用的一個(gè)參數吧，低8位是輸入的數字信號，當移位寄存器存滿(mǎn)之后，給一個(gè)load信號，工作時(shí)鐘處于不工作狀態(tài)，注意，這一點(diǎn)很重要，我當時(shí)就是不知道這一點(diǎn)，一直調不好，就是在轉換期間，讓工作時(shí)鐘處于非工作狀態(tài)，等待250ns之后，將load拉高，進(jìn)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)于數據的發(fā)送部分的代碼

　　每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘，送一位數據給dac_data端口，送滿(mǎn)移位寄存器為止，當移位寄存器計滿(mǎn)的時(shí)候，load拉低，同時(shí)時(shí)鐘停止工作，bit_counter 清零，等待下一次采集。當然當數據發(fā)生變化的時(shí)候，也就是data_change 信號來(lái)的時(shí)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(lái)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，畢竟我們很多參數做了近似，再通過(guò)按鍵進(jìn)行波形的變換，發(fā)現各波形輸出正常，只有方波和鋸齒波，在電壓下降的時(shí)候變化有點(diǎn)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(guò)按鍵來(lái)調節波形的頻率和相位，可是實(shí)現實(shí)時(shí)顯示的功能，發(fā)現頻率，相位都有所改變

　　當然，這個(gè)工程也有做的不好的地方，例如，再進(jìn)行相位調節的時(shí)候，由于各種波形的地址在ROM里面是挨在一起的，這樣進(jìn)行相位調節會(huì )侵犯其他波形的地址，這一點(diǎn)我當時(shí)也考慮過(guò)了，短時(shí)間內沒(méi)有想出更好的辦法，可以用多個(gè)ROM，其他的辦法還請大家自己動(dòng)腦子想一下吧，想出來(lái)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(guò)程，沒(méi)有仔細講代碼編寫(xiě)的具體過(guò)程，也沒(méi)有講仿真時(shí)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(gè)學(xué)習的過(guò)程，今天就到這里吧，由于小墨手上也有了項目，平時(shí)還要上課，更新速度方面應該不是很快!謝謝大家的支持~