FPGA学习笔记之DDS

大纲：

1. 什么是DDS？

DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本，高分辨率，低功耗，高分辨率，和快速转换时间等优点，广泛应用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。

1. 什么是信号发生器？

波形发生器就是一种数据信号发生器，在调试硬件的时候，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常，加入的信号有正玄波，三角波，方波，以及任意波形。

1. 何为调频

调频就是改变单位时间内完成周期性变化的次数。

1. 何为调相

相位对于一个波来说，特定时刻在它循环周期中的位置：一种是否在波峰，波谷或他们之间的某点的标度。相位可调其实就是改变初始相位。

1. 怎么实现任意波形的DDS

重点理解：

调频原理

频率可调的原理分析：

           如何得到我们想要的任意频率的波形发生器呢？   因为事先的波形数据是存在ROM里面的，每给rom一个地址，就可以读出ROM里的相应的数据，rom的深度是事先定好的256，地址范围是0-255。所以DDS就是循环读取ROM里的数据，系统时钟是50MHZ，若每个时钟地址加1，则有输出的信号为50M/256=195.3K。此时的频率就是这么大，但是我们不想要这个频率怎么办？

观察上述描述，我们看到最后的输出时钟是由采样时钟和地址深度决定的，所以可以通过对这两个地方着手更改，首先先看下采样时钟，原来是每个时钟的作用下，采集数据加1，现在可以通过对时钟计数，然后让地址在两个时钟作用下采集1，这样就可以实现分频的目的。

说完采样时钟，那么看下地址深度的问题，因为地址深度是由定制ROM时，就已经确认下来的，所以不能直接更改地址深度，但是可通过更改读取ROM的地址，使其只读其中的一半等，也可以达到效果。  有奈奎斯特采样原理我们知道，在做ADDA转换的过程当中，采样频率要大于信号最高频率的两倍，才能保证信号不失真，这个方法说白了其实就是改变采样的点数，然后达到倍频的目的，不过因为这样做，点数采样的比较少，会导致波形失真。

   说完前面两种方法，也只是实现了整数倍频，和分数分频的目的，并不能实现我们所说的任意分频，那么怎么实现任意分频呢，这里就要介绍一种相对简单并且实用的方法。

首先需要明确的是输出信号的频率计算公式：

 

 

频率控制字fword和幅度控制字pword

前面介绍的两种方法中，一个是让时钟计数，时钟记多次地址加一下，另一种是地址每次加，但是不是加1 而是2,3,4这样的加，也可以实现分频。不过这两种方法都有各自的坏处，不能实现任意分频，现在我们介绍一种比较简单的调频原理，前面那个公式说了输出信号 = 50M/256。这里的256 = 2^8。所以我们的地址之前定义[7:0]就够了，前面两种都是通过计数的方式实现的调频，现在我们改变下思路，可以通过改变地址位宽的方法，然后读取的时候取数据地址的高八位，是否就可以实现功能。假设我们拓展为32位，最终输出的地址 取高8位。那么输出信号的最低频率是不是 = 50M/2^32 = 0.01164HZ。如果我们想要其他的频率，再在这个基础上乘就行了。怎么乘前面是不是已经讲过了，如果我要得到1K的，1K/0.01164 = 85911，我们让地址计数器每个时钟来了加85911。这样就可以实现比较方便的调频原理。

调相原理：

   调相相对来说比较简单，无外乎就是改变初始相位就可以了，实现方法就是定义一个调相控制字，当复位赋初值的时候将想要的初始相位赋给地址初值就可以了，实现起来相对简单。

   调相计算公式：

           假设是256个点则有

                                                地址初值=256*（初始相位/360）

1. 系统框架

        

1. Rom (单口rom)        Quarters IP核调用
2. Mif文件生成的方法        1.Quarters自带工具生成

　　　　　　　　　　　　　　　2.mifmaker 软件生成

　　　　　　　　　　　　　　　3.MATLAB mif文件函数

　　　　　　　　　　　　　　　4.C语言  mif文件生成

1. 代码分析

   module         DDS(
           input        wire    sclk,
           input        wire    rst_n,
           input        wire     [7:0]    odata_1,//sine_wave
           input        wire     [7:0]    odata_2,//square_wave
           input        wire    [1:0]    flag,
           output    wire    [7:0]    addr_num,
           output    reg    [7:0]    o_wave
           );
           
   parameter    pword    =0;    
   
           
   reg    [31:0]    cnt;
   reg    [1:0]        flag_S;
   reg    [1:0]        flag_F;
   reg    [31:0]    fword;
   
   
   always @(posedge sclk    or negedge    rst_n)
       if(!rst_n)
               flag_S    <=0;
       else    if(flag_S==1 && flag[0])
               flag_S    <=0;
       else    if(flag[0])
           begin
               flag_S<=flag_S+1;
           end 
   
   always@(posedge    sclk    or negedge    rst_n)
           case(flag_S)
               0:    o_wave    <=    odata_1;
               1:    o_wave    <=    odata_2;
               default:    o_wave    <= o_wave;
           endcase
       
       
   always @(posedge sclk    or negedge    rst_n)
       if(!rst_n)
             flag_F    <=0;
       else if(flag_F==1 && flag[1])
           flag_F    <=0;
       else    if(flag[1])
           begin
               flag_F<=flag_F+1;
           end 
   
   always@(posedge    sclk    or negedge    rst_n)
           case(flag_F)
               0:    fword    <= 4295533;
               1:  fword <= 8591065;
               2:  fword <= 42955326;
               3:  fword <= 85910653;
           default: fword <= fword;
        endcase    
    
   always@(posedge sclk or negedge rst_n)   
   begin                                       
       if(~rst_n)                                
           cnt <= {pword,23'b0};                 
       else if(|flag)                        
           cnt <= {pword,23'b0};                 
       else                                      
           cnt <= cnt + fword;                      
   end                                         
                                              
   assign addr_num = cnt[31:24];          
   
   endmodule    
            

    

2. Modelsim 仿真波形