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【小梅哥带你做项目】基于DDS技术的信号发生器系统

2014-12-9 16:31:29 46805 AD9954 DDS

0 各位FPGA用户大家好，为了给本版块营造更良好的学习氛围，现特邀请我们的版主小梅哥带我们一起做项目【基于DDS技术的信号发生器系统】欢迎大家一起跟帖交流学习！题目：设计一个基于DDS技术的信号发生器系统。要求： 1、有输入设备，能够对系统输出信号的频率和相位进行调整； 2、有输出设备，能够实时显示当前输出信号的频率和相位； 3、频率步进要求最低1Hz； 4、相位步进要求最低0.1°； 5、DA精度要求最低10位，可以没有硬件DA芯片（采用signaltap II来抓取输出波形即可），要求最低一路正弦输出，也可以为两路正弦输出。 6、输出正弦信号最高频率要求大于等于1M。第一周内容，请各位采用word或者绘图软件绘制出系统的结构图，列出所需要的硬件资源。同时对频率精度和相位精度要求进行分析，得出实现精度要求需要满足那些条件。输入设备可采用PS2键盘、独立按键、矩阵键盘、红外遥控、串口之类的；输出设备可采用数码管、串口、LCD1602、LCD12864、VGA之类的。欢迎大家跟帖一起学习，每周二我们将定时更新，希望大家都可以通过这次活动学习到更多的知识，同时如果大家希望通过本论坛学到哪方的技术或者赶兴趣的技术，均可跟帖留言，我们将尽全力安排工程师带领大家一起学习交流！ 36
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梅雪松 · 2014-12-20 17:03:29 22^# asadad 发表于 2014-12-20 00:29 这个是个好题目呀。。。写好了很实用的，，，但是实际中频率最高为CK/4最好，，频率再高的话幅度的衰减很明 ... 是的，我这里设置的最高频率为CLK/8，在保证幅度的同时保证了低谐波分量。

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梅雪松 · 2014-12-22 16:42:50 23^# DDS原理再解释。上面的对DDS原理的解释，还是有部分同学反映不够直观，读完之后还是不明白DDS究竟是怎么控制频率和相位的，那么，这里小梅哥再用更加通俗的方式给大家讲解一下。如图4，为一个完整周期的正弦信号的波形，总共有33个采样点，其中第1点和第33点的值相同，第33点为下一个周期的起始点，因此，实际一个周期为32个采样点（1~32）。因为是在matlab中生成的，因此起始点为1，而不是我们常见的0，这里对我们理解DDS的原理没有任何影响，因此不必过多纠结。图4 32个采样点的正弦信号波形图5 16个采样点的正弦信号波形我们要使用FPGA控制DAC来输出这样一个周期的正弦信号，每1ms输出一个数值。如果每个点都输出，则总共输出这一个完整的周期信号需要输出32个点，因此输出一个完整的信号需要32ms，则输出信号的频率为1000/32Hz。假如，我们现在用这一组数据来输出一个2（1000/32）Hz的正弦信号，因为输出信号频率为2（1000/32）Hz，那么输出一个完整的周期的正弦波所需要的时间为32/2，即16ms，为了保证输出信号的周期为16ms，那么，我们就需要对我们的输出策略进行更改，上面输出周期为32ms的信号时，我们采用的为逐点输出的方式，以32个点来输出一个完整的正弦信号，而我们FPGA控制DAC输出信号的频率固定为1ms，因此，我们要输出周期为16ms的信号，只能输出16个点来表示一个完整的周期，因此，我们就选择以每隔一个点输出一个数据的方式来输出即可，因此，我们可以选择输出（1、3、5、7……29、31）这些点，因为采用这些点，我们还是能够组成一个完整的周期的正弦信号，而输出时间缩短为一半，则频率提高了一倍。最终结果如上图5所示。如果我们需要输出频率为(1/2)*（1000/32）Hz，即周期为64ms，则只需要以此组数据为基础，每2ms输出一个数据即可，例如第1ms和第2ms输出第一个点，第3ms和第4ms输出第二个点，以此类推，第63ms和第64ms输出第32个点，即可实现周期加倍，即频率减半的效果。对于相位的调整，则更加简单，我们只需要在每个取样点的序号上加上一个偏移量，便可实现相位的控制。例如，上面默认的是第1ms时输出第一个点的数据，假如我们现在在第1ms时从第9个点开始输出，则将相位左移了90度，这就是控制相位的原理。实现DDS输出时，将横坐标上的数据作为ROM的地址，纵坐标上的数据作为ROM的输出，那么指定不同的地址就可实现对应值的输出。而我们DDS输出控制频率和相位，归结到底就是控制ROM的地址。

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梅雪松 · 2014-12-22 17:41:41 24^# 接下来我们进行DDS信号发生器系统的建模。小梅哥在图3中已经给出了一个参考的DDS系统的框图，这里，小梅哥就将以此框图为基础进行DDS信号发生器系统顶层模块的搭建。为了实现键盘按键信息的反馈，这里小梅哥临时加上了一个蜂鸣器驱动，在每次检测到键盘按键事件后，产生一个短促的蜂鸣器响声，以反馈给操作者有按键检测成功。修改后的框图如图6所示：图6 DDS信号发生器系统框图依据此结构，小梅哥编写了顶层模块和各个子模块的端口部分，经过Quartus II综合后的结构图如下所示：图7 Quartus II软件综合结果由图可知，小梅哥设计的代码综合出来的结构与预先设计的架构完全吻合。以上为架构设计，接下来就该进行各个子模块的设计了，今天先暂时更新到这里，各个子模块的代码，小梅哥将在最近几天里陆续放出，敬请大家关注。

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梅雪松 · 2014-12-22 17:46:27 25^# 这里附上小梅哥设计的DDS顶层模块及各个子模块端口代码。 DDS代码.pdf 116.85 KB , 下载次数: 447

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梅雪松 · 2014-12-22 21:37:45 26^# 本帖最后由小梅哥于 2014-12-22 21:39 编辑这里，小梅哥先附上我根据DDS的结构编写的DDS代码： module DDS_Module( Clk, Rst_n, EN, Fword, Pword, DA_Clk, DA_Data ); input Clk;/系统时钟/ input Rst_n;/系统复位/ input EN;/DDS模块使能/ input [31:0]Fword;/频率控制字/ input [11:0]Pword;/相位控制字/ output DA_Clk;/DA数据输出时钟/ output [9:0]DA_Data;/D输出输出A/ reg [31:0]Fre_acc; reg [11:0]Rom_Addr; /---------------相位累加器------------------/ always @(posedge Clk or negedge Rst_n) if(!Rst_n) Fre_acc <= 32'd0; else if(!EN) Fre_acc <= 32'd0; else Fre_acc <= Fre_acc + Fword; /----------生成查找表地址---------------------/ always @(posedge Clk or negedge Rst_n) if(!Rst_n) Rom_Addr <= 12'd0; else if(!EN) Rom_Addr <= 12'd0; else Rom_Addr <= Fre_acc[31:20] + Pword; /----------例化查找表ROM-------/ ddsrom ddsrom( .address(Rom_Addr), .clock(Clk), .q(DA_Data) ); /----------输出DA时钟----------/ assign DA_Clk = (EN)?Clk:1'b1; endmodule 复制代码该模块为小梅哥对着DDS编写的代码，还没有经过验证，因此小梅哥也不知道该模块是否能够实现功能，为了对该模块进行验证，小梅哥采用仿真的方式，对该模块进行了仿真测试，以下为小梅哥编写的testbench的代码： `timescale 1ns/1ps module DDS_Module_tb; reg Clk; reg Rst_n; reg EN; reg [31:0]Fword; reg [11:0]Pword; wire DA_Clk; wire [9:0]DA_Data; /----例化DDS模块-----------/ DDS_Module DDS_Module( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .EN(EN), .Fword(Fword), .Pword(Pword), .DA_Clk(DA_Clk), .DA_Data(DA_Data) ); /---------生成100MHz时钟-------/ initial Clk = 1; always #5 Clk = ~Clk; initial begin Rst_n = 0; EN = 0; Fword = 0; Pword = 0; #200; Rst_n = 1; #100 Fword = 2147483;/49999.99/ Pword = 0; #3000;EN = 1; #80000; Fword = 8589934;/199999.99/ Pword = 1024; #30000; Fword = 34359738;/799999.99/ Pword = 2048; #9000; Fword = 429496729;/10_000_000/ Pword = 0; #9000; $stop; end endmodule 复制代码测试文件中通过改变频率控制字和相位控制字，再观察对应的输出，来验证该设计的正确性，仿真时随机选择了三个频率和相位的信号进行输出，50000Hz，200000Hz，800000Hz。以下为仿真结果图：四个信号的周期分别为：20000ns，4980ns，1250ns，经过换算为频率，与预期一致，表明该设计正确。这里使用了一个位宽为10位，字数为4096字的ROM，具体ROM的中的数据，以附件的形式提供。 ddsrom.mif (43.55 KB, 下载次数: 220 ) 复制代码

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刘文田 · 2014-12-23 09:48:07 27^# 非常好，请继续！！

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荒漠小草 · 2014-12-23 22:32:18 28^# 请问楼主，用modesim仿真时，这个波形图是怎样实现的？为什么我的没有？谢谢。

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周大侠 · 2014-12-27 12:30:17 29^# 顶起，学习中！！！！！

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梅雪松 · 2014-12-31 01:12:49 30^# 目前为止，小梅哥所有的系统外设中，PS2键盘解码，数码管显示等都已经完成，DAC驱动暂时不需要，在实际观察输出的时候直接使用signaltap II来观察输出波形即可，蜂鸣器驱动在系统完成后最后再来加上。关于PS2键盘解码驱动的，请参看我的帖子：https://bbs.elecfans.com/jishu_463238_1_1.html 关于数码管驱动的，请参看我的帖子： https://bbs.elecfans.com/jishu_463750_1_1.html 到此为止，此DDS信号发生器系统所需的全部子模块中，除了蜂鸣器模块和控制模块，就都已经设计好了。蜂鸣器模块设计很简单，最后再说，最重要也是最复杂的模块也就是控制模块了，那么具体控制模块怎么设计，还得和我们想要实现的效果相联系。今天太晚了，这部分内容，小梅哥就留到明天再更新吧。

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朱超 · 2015-1-1 15:47:04 31^# 频率和相位控制字是怎么产生的啊

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朱超 · 2015-1-1 15:48:08 32^# 采用的是什么DA芯片呢，频率和相位控制字跟DA芯片的一些参数有关吧

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朱超 · 2015-1-1 16:18:58 33^# 楼主真心辛苦了

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林曦 · 2015-1-2 17:49:14 34^# 请问ddsrom.mif这个文件该怎么用

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coverzhou · 2015-1-9 14:49:41 35^# 有项目可以系统学习了，检查自己的不足。赞！！！

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风魔小象 · 2015-1-9 17:06:21 36^# 顶一个，八错八错八错八错八错八错八错

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YIYICQUPT · 2015-1-13 22:48:08 37^# 自己瞎搞FPGA一段时间了，这么好的东西必须得顶。。。

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梅雪松 · 2015-1-14 00:17:04 38^# 接下来，我们将进行人机交互设计：以前没有开发板没，做起实验来一直因为没有验证平台而感到很头疼，后来，感谢至芯科技赠送了小梅哥两块FPGA开发板，加上小梅哥刚刚下血本购买的de1-soc的板子，以及友人赞助的一块核心板，小梅哥手头已经有4块FPGA开发板了。但是这些开发板上都存在一个问题，即只有6个数码管，我们前面提出过输出信号频率要求大于等于1M，那么问题来了，我们要通过数码管显示当前输出信号频率，当输出信号频率大于999999Hz时，6位数码管已经无法显示频率值了，为了解决这个问题，小梅哥经过反复琢磨，决定采用外扩硬件的方式，某宝上寻得一个采用SPI接口的8位数码管模块，如下图：该模块只需要3个IO即可外扩出8位7段数码管，模块也不贵，采用经典的MAX7219芯片。咬咬牙，还是买了，我心疼的不是模块贵，而是为了9块钱的模块付出12块的邮费，为了给大家把项目做好，小梅哥也是拼了。那么，选择了新的模块后，问题又来了，得为该模块开发驱动程序，因此，本项目在正式进入控制模块设计之前，又多出了一个开发MAX7219数码管模块驱动的任务。经过一晚上的努力，MAX7219的驱动已经开发好，可以和使用前面小梅哥开发的普通数码管模块一样使用了，今天颈椎好疼，暂时不写文档了，先把代码贴出来大家看看，顺便放一张显示结果图，文档明天再写了发布吧. 001 module max7219(clk_i,rst_n,data_i,cs_o,sda_o,sclk_o); 002 003 input clk_i; 004 input rst_n; 005 input [34:0]data_i;//data_i[34:32] isthe location of the point 006 007 output reg cs_o; //max7219 chip_select pin 008 output reg sda_o; //max7219 data pin 009 output sclk_o; //max7219 clock pin 010 011 reg clk_1us; 012 reg [6:0]cnt1; 013 reg [3:0]state; 014 reg [4:0]state1; 015 reg done_sig; 016 reg [15:0]dat_send; 017 reg point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0; 018 019 wire LOW; 020 021 localparam CLOCK = 24000000; //system clock 022 localparam CNT1_MAX = CLOCK/1000000 - 1, 023 CLK_L2H = CLOCK/2000000 - 1, 024 CLK_L = CLOCK/4000000 - 1; 025 026 localparam s0 = 0, 027 s1 = 1, 028 s2 = 2, 029 s3 = 3, 030 s4 = 4, 031 s5 = 5, 032 s6 = 6, 033 s7 = 7, 034 s8 = 8, 035 s9 = 9, 036 s10 = 10, 037 s11 = 11, 038 s12 = 12, 039 s13 = 13; 040 041 always @(posedge clk_i or negedge rst_n) 042 begin 043 if(!rst_n) 044 cnt1 <= 7'd0; 045 else if(cnt1 == CNT1_MAX) 046 cnt1 <= 7'd0; 047 else 048 cnt1 <= cnt1 + 1'b1; 049 end 050 051 always @(posedge clk_i or negedge rst_n) 052 begin 053 if(!rst_n) 054 clk_1us <= 0; 055 else if(cnt1 == CLK_L2H) 056 clk_1us <= 1; 057 else if(cnt1 == CNT1_MAX) 058 clk_1us <= 0; 059 end 060 061 assign LOW = (cnt1 == CLK_L)?1'b1:1'b0; 062 assign sclk_o = clk_1us; 063 064 //--------decode the location of thepoint------------------ 065 always@(posedge clk_i or negedge rst_n) 066 begin 067 if(!rst_n) 068 {point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0} <= 8'd0; 069 else 070 case(data_i[34:32]) 071 0:{point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0} <= 8'b00000001; 072 1:{point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0} <= 8'b00000010; 073 2:{point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0} <= 8'b00000100; 074 3:{point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0} <= 8'b00001000; 075 4:{point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0} <= 8'b00010000; 076 5:{point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0} <= 8'b00100000; 077 6:{point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0} <= 8'b01000000; 078 7:{point7,point6,point5,point4,point3,point2,point1,point0} <= 8'b10000000; 079 endcase 080 end 081 082 //-------------get the data todisplay---------------- 083 always@(posedge clk_i or negedge rst_n) 084 begin 085 if(!rst_n) 086 begin 087 state <= s0; 088 dat_send <= 16'h0000; 089 end 090 else if(LOW) 091 begin 092 case(state) 093 s0:begin dat_send <= 16'h0f00;if(done_sig)state <= s1;else state <= s0;end //close the display test mode 094 s1:begin dat_send <= 16'h0c01;if(done_sig)state <= s2;else state <= s1; end //enable thedisplay mode(not shutdown) 095 s2:begin dat_send <= 16'h09ff;if(done_sig)state <= s3;else state <= s2; end //code B decodefor digits 7~0 096 s3:begin dat_send <= 16'h0a04;if(done_sig)state <= s4;else state <= s3; end //set the drivecurrent as 25/32 097 s4:begin dat_send <= 16'h0b07;if(done_sig)state <= s5;else state <= s4; end //display digits7~0; 098 s5:begin dat_send <= {8'h08,point7,3'b000,data_i[31:28]};if(done_sig)state <= s6;else state <= s5; end 099 s6:begin dat_send <= {8'h07,point6,3'b000,data_i[27:24]};if(done_sig)state <= s7;else state <= s6; end 100 s7:begin dat_send <= {8'h06,point5,3'b000,data_i[23:20]};if(done_sig)state <= s8;else state <= s7; end 101 s8:begin dat_send <= {8'h05,point4,3'b000,data_i[19:16]};if(done_sig)state <= s9;else state <= s8; end 102 s9:begin dat_send <= {8'h04,point3,3'b000,data_i[15:12]};if(done_sig)state <= s10;else state <= s9; end 103 s10:begin dat_send <= {8'h03,point2,3'b000,data_i[11:8]};if(done_sig)state <= s11;else state <= s10; end 104 s11:begin dat_send <= {8'h02,point1,3'b000,data_i[7:4]};if(done_sig)state <= s12;else state <= s11; end 105 s12:begin dat_send <= {8'h01,point0,3'b000,data_i[3:0]};if(done_sig)state <= s13;else state <= s12; end 106 s13:state <= s5; //go back to rewrite the registers 107 default:state <= s0; 108 endcase 109 end 110 end 111 112 //-------send one 16bit word----------- 113 always@(posedge clk_i or negedge rst_n) 114 begin 115 if(!rst_n) 116 begin 117 state1 <= 17; 118 sda_o <= 1; 119 cs_o <= 1; 120 end 121 else 122 if(LOW) 123 begin 124 case(state1) 125 0:begin cs_o <= 0;sda_o <= dat_send[15];state1 <= 1;end 126 1:begin sda_o <= dat_send[14];state1 <= 2;end 127 2:begin sda_o <= dat_send[13];state1 <= 3;end 128 3:begin sda_o <= dat_send[12];state1 <= 4;end 129 4:begin sda_o <= dat_send[11];state1 <= 5;end 130 5:begin sda_o <= dat_send[10];state1 <= 6;end 131 6:begin sda_o <= dat_send[9];state1 <= 7;end 132 7:begin sda_o <= dat_send[8];state1 <= 8;end 133 8:begin sda_o <= dat_send[7];state1 <= 9;end 134 9:begin sda_o <= dat_send[6];state1 <= 10;end 135 10:begin sda_o <= dat_send[5];state1 <= 11;end 136 11:begin sda_o <= dat_send[4];state1 <= 12;end 137 12:begin sda_o <= dat_send[3];state1 <= 13;end 138 13:begin sda_o <= dat_send[2];state1 <= 14;end 139 14:begin sda_o <= dat_send[1];state1 <= 15;end 140 15:begin sda_o <= dat_send[0];state1 <= 16;done_sig <= 1;end 141 16:begin done_sig <= 0;state1 <= 0;cs_o <= 1;end 142 17:state1 <= 0; 143 endcase 144 end 145 end 146 147 endmodule

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greensroll · 2015-1-27 14:10:26 39^# 楼主，学习了，很有参考价值，不过有没有主控模块？

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梅雪松 · 2015-1-27 14:46:25 40^# greensroll 发表于 2015-1-27 14:10 楼主，学习了，很有参考价值，不过有没有主控模块？主控模块最近忙，还没发上来

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孟欢 · 2015-1-30 16:03:19 41^# 想你2铖发表于 2014-12-10 01:01 毕业设计正准备做这个，大神是用verlog做么？你好，我的毕业设计也是类似题目，我们可以一起交流学习

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