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何立立

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【Z-turn Board试用体验】+基于FPGA和DDS技术的三相正弦波的发生器设计

本帖最后由 何立立 于 2015-5-30 11:12 编辑

  简介：根据现代电子系统对信号源的频率稳定度、准确度及分辨率越来越高的要求,结合直接数字式频率合成器(DDS)的优点,利用FPGA芯片的可编程性和实现方案易改动的特点,提出了一种基于FPGA和DDS技术的任意波形发生器设计方案。目前任意波形发生器的设计还在进行中。
  本文只给出实验阶段的三相正弦波的产生代码和仿真波形，产生的并不是任意波形了。
  DDS设计要求：频率分辨率<=0.001;输出正弦波40Hz-65Hz；输出三路正弦波；用RAM实现ROM查找表；RAM数据位宽16bit；
                三路正弦波的一周期最少输出1024点；
  基本原理：频率分辨率：ΔF=Fclk/(2^N);
            输出波形频率：Fout=K *Fclk/(2^N);
                 （ 其它原理以及怎么计算不再详细介绍，网上都可以直接查找到；）


  实现框图：
            QQ截图20150530094110.png
  根据上述公式可以计算得到（这里直接给出计算结果）：累加器字长N=37,DDS频率Fclk=96KHz,ROM表深度4096，频率调制字长K为17位。
实现过程：
  查找表是一个rom。所以这里用ISE自带的rom的ip核。既然用到了rom，那么就要对rom里面的值要写入我们需要的值。这里就用ise的rom的ip核的固定初始化文件coe文件。
          Coe文件格式是：
          第一行是： MEMORY_INItiALIZATION_RADIX=10; 后面的10表示数据是以什么进制表示，这里是10进制，所以是10.如果是16就是16进制表示。
          第二行是：MEMORY_INITIALIZATION_VECTOR= 这个是固定的。
          接下来第三行就是数据，数据以逗号相隔，最后一个数据以分号结束。
           这里我们是要产生三路正弦波，所以需要三个rom。
           那就要对三相正弦波分别生成rom初始化文件coe。用matlab来生成。
           这里要注意，由于da只能转换正数值，所以要将sin的负值部分要处理一下，使之数据范围在0到1之间。
   生成正弦波matlab代码：
   0度：
  1. t=0:2*pi/2^12:2*pi;
  2. y=0.5*sin(t)+0.5;
  3. r=ceil(y*(2^16-1));%将小数（0，1）转变为整数，并就将数值扩大，ceil()像上取整%
  4. fid=fopen('sin_0du.coe','w');%写到sin.coe文件里，用来初始化sin_rom%
  5. fprintf(fid,'memory_initialization_radix=10;n');
  6. fprintf(fid,'memory_initialization_vector=n');
  7. for i=1:1:2^12
  8.     fprintf(fid,'%d',r(i));
  9.     if i==2^12
  10.         fprintf(fid,';');
  11.     else
  12.         fprintf(fid,',n');
  13.     end

  15. end
  16. fclose(fid);

  120度：
  1. t=(2/3)*pi:2*pi/2^12:(8/3)*pi;
  2. y=0.5*sin(t)+0.5 ;
  3. r=ceil(y*(2^16-1));%将小数（0，1）转变为整数，并就将数值扩大，ceil()像上取整%
  4. fid=fopen('sin_120du.coe','w');%写到sin.coe文件里，用来初始化sin_rom%
  5. fprintf(fid,'memory_initialization_radix=10;n');
  6. fprintf(fid,'memory_initialization_vector=n');
  7. for i=1:1:2^12;
  8.     fprintf(fid,'%d',r(i));
  9.     if i==2^12
  10.         fprintf(fid,';');
  11.     else
  12.         fprintf(fid,',n');
  13.     end

  15. end
  16. fclose(fid);

  -120度:
  1. t=(4/3)*pi:2*pi/2^12:(10/3)*pi;
  2. y=0.5*sin(t)+0.5 ;
  3. r=ceil(y*(2^16-1));%将小数（0，1）转变为整数，并就将数值扩大，ceil()像上取整%
  4. fid=fopen('sin_fu120du.coe','w');%写到sin.coe文件里，用来初始化sin_rom%
  5. fprintf(fid,'memory_initialization_radix=10;n');
  6. fprintf(fid,'memory_initialization_vector=n');
  7. for i=1:1:2^12;
  8.     fprintf(fid,'%d',r(i));
  9.     if i==2^12
  10.         fprintf(fid,';');
  11.     else
  12.         fprintf(fid,',n');
  13.     end

  15. end
  16. fclose(fid);


FPGA中实现：
  系统时钟分频实现96Khz的DDS时钟：
  1. module dds_clk_ger(
  2.         rst_n,clk_24_576M,clk_96K
  3.     );
  4.         input rst_n;
  5.         input clk_24_576M;
  6.         output clk_96K;
  7.        
  8.         reg clk_96K;
  9.        
  10.         reg [6:0] cnt;//7位计数器
  11.        
  12.         always @(posedge clk_24_576M or negedge rst_n ) //采用异步复位
  13.                 begin
  14.                         if(!rst_n)
  15.                                 begin
  16.                                         cnt<=0;
  17.                                         clk_96K<=0;
  18.                                 end
  19.                         else
  20.                                 if(cnt==7'b1111111)//在第128个脉冲到来时进行频率翻转
  21.                                         begin
  22.                                                 cnt<=0;
  23.                                                 clk_96K<=!clk_96K;
  24.                                         end
  25.                         else
  26.                                 begin
  27.                                         cnt<=cnt+1'b1;//这里的1一定要表明位宽 1'b1，不然会出现位宽不统一
  28.                                         clk_96K<=clk_96K;
  29.                                 end
  30.                 end

  32. endmodule


频率调制模块：
  1. module frequency_tiaozhi(
  2.     rst_n,k,clk_96K,       //DDS系统频率为80K
  3.          result
  4.          );
  5.          input rst_n;
  6.          input k;
  7.          input clk_96K;
  8.          output result;
  9.          
  10.          wire [16:0] k;//频率控制字长k为17位
  11.          reg [26:0] result;//相位寄存器的输出结果，寄存器位数27位
  12.          
  13.          wire [26:0] sum;//相加后的值，累加器的字长N=27
  14.          assign sum=k+result;
  15.        
  16.         always@(posedge clk_96K or negedge rst_n)
  17.                 begin
  18.                         if(!rst_n)
  19.                                 result<=0;
  20.                         else
  21.                                 begin
  22.                                         result<=sum;
  23.                                        
  24.                                 end
  25.                 end
  26.        

  28. endmodule

顶层模块：将前面几个模块接起来就好了：
其中U3,U4,U5是0读正弦波，120度，-120度正弦波例化ROM核。
111.png
121212.png

添加测试文件：
  1. module dds_top_tb;

  3.         // Inputs
  4.         reg clk_24_576M;
  5.         reg rst_n;
  6.         reg [16:0] k;

  8.         // Outputs
  9.         wire [15:0] dds_data_sin_0du;
  10.         wire [15:0] dds_data_sin_120du;
  11.         wire [15:0] dds_data_sin_fu120du;

  13.         // Instantiate the Unit Under Test (UUT)
  14.         dds_top uut (
  15.                 .clk_24_576M(clk_24_576M),
  16.                 .rst_n(rst_n),
  17.                 .k(k),
  18.                 .dds_data_sin_0du(dds_data_sin_0du),
  19.                 .dds_data_sin_120du(dds_data_sin_120du),
  20.                 .dds_data_sin_fu120du(dds_data_sin_fu120du)
  21.         );

  23.         initial begin
  24.                 // Initialize Inputs
  25.                 clk_24_576M = 0;
  26.                 rst_n = 0;
  27.                 k = 0;

  29.                 // Wait 100 ns for global reset to finish
  30.                 #100;
  31.        rst_n=1;
  32.                  k=90877;
  33.                 // Add stimulus here
  34.        
  35.         end
  36.       always #20.345 clk_24_576M=!clk_24_576M;
  37. endmodule
仿真波形：
  K=55924时波形频率应该为40Hz
22222.png

[size=14.3999996185303px]  K=90877时波形频率应该为65Hz
4444444.png

这样就完成了一个简单的DDS波形发生器的实验了。

接下来是通过ARM向FPGA内RAM写波形数据，给频率控制字来实现任意波形的产生。



回帖（8）

HelloWii

2015-5-31 10:57:55
学习一下。。。
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blackroot

2015-5-31 21:21:08
楼主，使用PL部分的时候，PL部分的时钟是怎样输入进来的?
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blackroot

2015-5-31 21:24:41
比如PL部分的时钟管脚分配是在那个管脚上啊？
举报

东东

2015-10-30 10:30:35
楼主好厉害，学习了----------
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