零基础学FPGA （二十六）频、相可调，任意波形信号发生器系统设计

最近接了一个项目吧，是我们学校物理院院长带的研究生搞的，小墨有幸跟他们合作，负责FPGA方面的工作，完成后据说还会申请国家专利，具体到什么时候完成，那可能就是猴年马月了，或者说我已经不在学校了。从今天开始，小墨将开始接触赛灵思公司的FPGA(老师提供的平台)，用到的当然是SOPC。其实做做项目也好，让自己锻炼一下，我也好久没有做大一点的项目了，对我来说也是一个机会吧。



信号发生器这个东西相信大家都知道，关于基于DDS信号发生器的技术文档网上也多的是，但是我还是想写一下这部分的教学，因为从我自身的学习来看，这部分内容并不是很难，也很容易实现，代码也就那几行。但是，我发现我当时学这部分的时候，从网上找资料，大部分都是基于原理的讲解，或者说只是做到仿真这一步，而且原理的讲解太过书面化，初学者不怎么好理解。我做了这么一个教程，全方面的做一个这样一个系统。其中包括信号发生器的原理部分，代码实现，仿真，按键控制频率、相位变换，包括正弦波、方波、锯齿波、三角波的产生，以及D/A转换芯片的操作，直到能够在示波器上观察到我们产生的波形，并通过按键控制为止。

这个系统的设计大概花了我三四天的样子，写的也是蛮用心的，工程不是很大，但还是有些细节需要注意的，下面我们就一步步的开始做。

一、整体框架

关于原理部分，书上讲的很多，但是总是感觉不尽人意，过于书面化的语言让人看着很头疼，下面就让小墨来给大家解释，希望给读者带来一种眼前一亮的感觉，让你再回去看书，看代码的时候觉得得心应手了。

首先我们应该先明确要做什么，我们要做的是一个频率，相位可调，任意波形信号发生器，也就是我们常见的正弦波，方波，锯齿波，三角波等。

其次，我们需要知道我们需要哪些参数。比如，我们要生成一个正弦波，它的初始频率是多少，相位是多少，步进频率、相位是多少，怎么计算这些参数?

然后我们需要知道如何生成一种波形，怎么样通过按键实现波形与波形之间的转换，例如我按下一个键生成正弦波，再按下一个键生成三角波，怎么实现?

再然后，我们需要把生成的数字信号送入D/A转换芯片，D/A转换的接口怎么写?怎么保证采集的数字信号完全正确?

最后，我们可以通过示波器观察我们生成的波形信号，验证我们的频率，相位是否符合我们的设计要求

下面是我简单的做的一个框架图



下面我们先来解释一下上面这张框架图。

首先，我们通过8位按键选择输出何种波形，这时候wave_select信号被赋予相应的值送给DDS模块，DDS模块由wave_select信号，从ROM中选择合适的地址，地址每变化一次，也就是数据每变化一次，DDS模块会告知DAC模块数据发生变化了，让它注意数据的采集，不要采错了!同时可以通过按键控制模块调节输出信号的频率，相位等，DAC模块将采集到的数字信号转化成模拟信号，送到示波器上显示。注意DAC芯片的采样频率，DDS信号的输出频率不能大于采集频率，否则数据就会出错。

二、DDS信号发生器原理详解

关于发生器原理这样部分有必要好好讲讲，很多人还是对某系问题不得其解，先来看这张图



DDS基本的结构组成，看图就知道了，包括相位累加器，相位调制器，波形数据表，和DA转换。我们还可以看到有两个输入，即频率控制字输入fword 和相位控制字输入 pword，这两个输入就是我们用来控制输出波形频率和相位的

1、相位累加器

相位累加器的原理，我们先假设频率控制字fword 为1。相位累加器的原理就是先将fword的值送到相位累加器，然后每来一个时钟，相位累加器的输出值，就跟相位累加器的新输入值相加，之后再送入相位累加器，再来一个时钟，再跟输入值相加送进去，如此循环。例如刚开始fword = 1 ，那么第一个时钟周期相位累加器的输出就是1，第二个时钟周期输出的就是2，第三个时钟周期输出的就是3。再例如，我们的频率控制字fword 刚开始等于2，那么相位累加器输出的就依次是0，2，4.....也就是说频率控制字fword 越大，相位累加器的输出值间隔也就越大，那么我们假设相位累加器的输出是32位的，如果fword越大，那么频率控制字记完到2^32 的时间就越短。这样的话，我们来算一下

我们使用的是50M的晶振，周期为20ns，假设fword为1，相位累加器的输出为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 时间，这个时间就是输出一个完整信号的周期，那么我们可以知道，输出信号的频率为 Fout = Fclk /2^N，其中，Fclk为我们的晶振频率，再假如，fword = B 的时候，相位间隔提高 B 倍，因此计满一个周期的时间缩小了 B 倍，频率提高的 B 倍。综上所述，我们得出了输出信号的频率计算公式



有了这个公式，那么，如果我们把2^N看成是一个周期波形的相位，也就是说把一个波形的相位平均分成2^N个，每一个相位对应一个数字信号，将这些数字信号送到DA转换芯片，转化成模拟信号，不就是我们的信号发生器了吗?

好，这里我们假设N = 32 ，也就是把一个波形的相位分成了2^32个点，但是位数越多当然占用的资源也就越多，不能取那么多，怎么办呢，我们只取它的高8位即可



即取fre_add[31:24] ,将这8位数送给ROM的地址。很多人不明白了，为什么这样取8位，这样取8位不是把一个完整的信号给截断了吗?刚开始我也有这么想过，但是仔细算一下才知道自己是多虑了。用计算器算一下知道，2^32 = 4.3x 10^9 左右，而2^24 = 16 x 10^6 左右，前后差了几个数量级，所以，我们取fre_add[31:24]，相当于把一个波形的相位分成了256个点，每个点对应一个数据。

二、ROM

上一部分说了，我们将一个波形分成了256个点，每个点对应一个数据，那么我们怎么实现呢，这里就要用到我们的只读存储器ROM了，我们可以先把波形的数据送到ROM里存起来，然后再从中取，取的地址就是我们的fre_add[31:24]这8位数，由此看来，fword越大，这256个地址取址的间隔就越大，相应的波形频率也就越大了，当然，我们的ROM不光存储一个波形，我们可以把ROM设大一点，里面放多种波形，再通过按键进行相应的选址，从而输出各种波形



说到这里有些人该问了，怎么将数据送到ROM里去呢?这个的话就设计到mif文件的制作，具体怎么做大家还是自己回去补课了，不一一介绍了，但是我这里有一个mif文件生成器，网上也有下载，可以生成各种波形，也可以进行相关参数的修改，注意保存的时候保存成.mif格式的文件即可，调用的时候在IP核 ROM的配置的时候调用就好了，但是要注意位宽。



三 、相位调制器

相位调制器部分就简单了，就是相位累加器取好的的8位ROM地址，我们可以通过按键进行加加减减，从而控制ROM取址的不同，从而控制波形的相位



四 、参数计算

由上面的公式我们知道了输出波形的频率计算公式，当fword =1的时候我们算一下

输出频率 Fout = 50_000000 / 2^32 = 0.01，就是个大约值了，也就是说，在fword =1的时候，我们的输出波形的频率为0.01HZ，假设我们让波形初始化的时候输出的是一个100HZ的正弦波，那么，我们应该设定fword = 10000，相位的话可以随便设置，我们就默认为0相位好了。如果要进行频率，相位可调，我们只需要让fword每次加100，就相当于频率步进为1HZ了，当然，由于我们的地址是8位的，那么，步进的相位就是 360 /256，大概等于1.4度吧。

还有，既然频率为100HZ，也就是周期为0.01s，ROM要在0.01s内要输出256个数，那么每输出一个数的时间为0.01 /256 大概为 39us的样子，因此，我们的DAC的采集频率不能比ROM的输出频率小了，否则的话采集到的数据是不准确的

综上所述，我们总结一下
输出频率： 100HZ
输出相位：0
步进频率：1HZ
步进相位：1.4度
DAC采集时间：小于39us

当然在一般情况下 DAC的采集频率是远大于ROM的输出频率的，只要信号输出频率不是特别快，采集正确还是有保证的。为了保证采集的正确性，我特别加了一个数据变化检测部分，一但数据发生变化，就告知DAC模块，做相应处理



一切准备就绪，我们可以做一下仿真，具体的仿真调试过程不做详解，还是大家自己动手去做的过程



五、DAC接口电路

DA芯片我用的是TLC5620这块芯片，这块芯片是四路输出，8位的的数模准换芯片，芯片的操作不是很难，我们还是先来看一下芯片的datasheet



DA芯片有这几个管脚需要用到，分别是

dac_clk，用于产生DAC的工作时钟，说明文档上说时钟最大为1M，而我们的晶振为50M因此我们需要做个分频，我做了个64分频，当然是为了稳定，如果可以大家也可以试试更高的频率
dac_data ， 是串行输入的接口，用来接收数字信号
dac_load ，将接收来的数字信号开始转化成模拟信号的使能端，低电平有效，要持续最低250ns
dac_ldac ， dac信号刷新控制端，当dac为低电平的时候一直有模拟信号输出，否则不再刷新

上面那个时序图大体解释一下，就是在load信号是高电平期间，每来一个DAC工作时钟的下降沿，就将1位数据通过dac_data端口送到DAC芯片内部的移位寄存器中，寄存器是11位的，前两位为输出模拟信号的通道号，第三位是用来计算输出电压用的一个参数吧，低8位是输入的数字信号，当移位寄存器存满之后，给一个load信号，工作时钟处于不工作状态，注意，这一点很重要，我当时就是不知道这一点，一直调不好，就是在转换期间，让工作时钟处于非工作状态，等待250ns之后，将load拉高，进行下一次采集。

关于代码的分析这里也不做详细分析了，大家还是自行消化，这里只传一部分，关于数据的发送部分的代码



每来一个时钟，送一位数据给dac_data端口，送满移位寄存器为止，当移位寄存器计满的时候，load拉低，同时时钟停止工作，bit_counter 清零，等待下一次采集。当然当数据发生变化的时候，也就是data_change 信号来的时候，bit_counter 也清零，重新采集，避免采集错误

全部模块编译完成之后，我们就可以用示波器来检测我们的结果了



由示波器的结果我们可以看到，输出电压峰值为2.5V，当然这是由芯片决定的，输出频率为116HZ，大体符合我们的要求，毕竟我们很多参数做了近似，再通过按键进行波形的变换，发现各波形输出正常，只有方波和锯齿波，在电压下降的时候变化有点缓慢，当然这也得考虑我们芯片的因素，毕竟电压不能变化的那么快，也属于正常情况



波形显示正常，下面通过按键来调节波形的频率和相位，可是实现实时显示的功能，发现频率，相位都有所改变



当然，这个工程也有做的不好的地方，例如，再进行相位调节的时候，由于各种波形的地址在ROM里面是挨在一起的，这样进行相位调节会侵犯其他波形的地址，这一点我当时也考虑过了，短时间内没有想出更好的办法，可以用多个ROM，其他的办法还请大家自己动脑子想一下吧，想出来了可以给我留言，大家一起交流嘛

好了，这一次主要还是讲了一下工程的全过程，没有仔细讲代码编写的具体过程，也没有讲仿真时候的操作流程，这些部分还是留给读者慢慢去摸索，毕竟这也是一个学习的过程，今天就到这里吧，由于小墨手上也有了项目，平时还要上课，更新速度方面应该不是很快!谢谢大家的支持~