基于ROM的任意波形发生器（DDS）
设计背景：
DDS（Direct Digital Synthesizer）直接数字式频率合成器，是一种新型频率合成技术，具有低成本、低功耗、高分辨率、相对带宽大和频率转换时间短等优点。较容易实现频率、相位以及幅度的数控调制，广泛应用在电信与电子仪器和通信领域。波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，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：正弦波、三角波、方波和任意波形等。
设计原理:
相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环周期中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。相位描述信号波形变化的度量，通常以度 （角度）作为单位，也称作相角。 当信号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360°。那么相位可调也可以简单的理解为：改变初始相位。
频率，是单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量，常用符号f或ν表示，单位为秒分之一，符号为s-1。频率可调也就是改变单位时间内完成周期性变化的次数。
本设计采用DDS技术设计相位频率可调的波形发生器，已经知道了相位和频率可调分别代表什么，那么接下来就要知道怎样依靠DDS技术实现波形发生器，并且相位和频率可以调控。DDS的基本结构如下图所示：
根据上图可以看出：DDS主要由相位累加器、波形数据表（ROM）、D/A转换器构成，本设计暂时不涉及D/A转换部分。相位累加器位宽为N，波形数据表的大小为2^P,累加器的高P位则用于寻址波形数据表，即ROM，从ROM中输出的数据则是产生的波形。如果累加器在系统时钟（CLOCK）的作用下，以步进为M累加直至溢出，则M为频率控制字（即图中的FWORD），相位控制字（PWORD）则作为累加器的输入初始值。这里的累加器，也可以理解为ROM的地址发生器。
上段所述我们可具体理解为：改变地址的初值（PWORD）就可以改变初始的相位，由于我们设计中，ROM的数据为256，所以PWORD的值在0~255之间，PWORD= 256*（初始相位/360度）。
我们设计的系统时钟（CLOCK）为50MHz，周期为20ns,而正弦波被分成了256个点，波形发生器的频率就是195.31KHz。若想要输出别的频率，则可通过改变输出的点的个数，即改变有效地址的数量。我们用位宽为N位的累加器，假设FWORD为1，要产生一个完整波形的周期则为20ns*2^N,则产生波形的频率=系统时钟/2^N，即Fout = Fclk/2^N,如果FWORD为B，每次步进的间隔提高了B倍，所以计满一个波形周期的时间就缩小了B倍，即频率就提高了B倍。则波形频率的公式为：Fout = B*(Fclk/2^N)。之后我们取累加器的高8位，去寻址波形数据，对应点的还是个数一样的。本设计中我们将N取为32，当B=1，Fout约为0.012Hz，0.012就相当于最小精度，所以我们就实现了频率为0.012倍数的调制，但因为0.012值很小了，所以可以说基本实现了所有频率的调制。
设计架构图:
根据上述的原理图分析，本设计的架构如下图：
架构图中的端口功能描述如下表：
dds_addr模块是实现相位累加器的模块，这里用参数来调制FWORD和PWORD的值，累加之后，将地址高八位（addr_out）输出到rom模块，从而产生波形数据。
设计代码:
在具体写代码之前，我们需要先制作载有波形数据的mif文件，这时需要一个小软件（Mif_Maker2010）,软件的链接如下：
链接：http://pan.baidu.com/s/1gfzcOzL密码：ietw
具体操作步骤如下：
打开Mif_Maker2010，在查看中点击全局参数，如下图：
将全局参数设置如下图：数据长度为256，数据位宽为8，数据格式为无符号10进制，采样频率为1000。
点击设定波形，选择想要生成的波形，这里我们以正弦波为例，如需要其他波形，都可进行修改：
之后点击保存，则可生成mif文件，这里我们命名为sin.mif。打开sin.mif后，如下图所示：
dds_addr模块代码：
这里我们以初始相位为180度，频率为5KHz为例：
0moduledds_addr (clk,rst_n,addr_out);
1
2inputclk,rst_n;//系统时钟复位
3output[7:0]addr_out;//输出的地址，对应到ROM内的数据
4
5parameterN =32;
6parameterPWORD =128;//相位控制字 (x/360)*256
7parameterFWORD =429497;//频率控制字F_out=B*(F_clk/2**32)，fword=B
8//5KHZ
9reg[N-1:0]addr;//32位累加器
10
11always@(posedgeclk ornegedgerst_n)
12begin
13if(!rst_n)
14begin
15addr <=0;
16end
17else
18begin
19/*每隔fword的大小，输出一位地址，若频率控制字FWORD等于2，那么地址计数器输出的就依次是0，2，4.....*/
20addr <=addr +FWORD;
21end
22end
23/*将累加器器的地址的高八位赋值给输出的地址（ROM的地址*/
24assignaddr_out =addr[N-1:N-8]+ PWORD;
25
26endmodule
rom模块为调用的IP核，该rom IP核中存储了sin.mif的数据。
dds顶层模块代码：
0moduledds (clk,rst_n,q);
1
2inputclk,rst_n;//系统时钟复位
3output[7:0]q;//输出波形数据
4
5wire[7:0]addr_out;//8位地址，对应到ROM内的数据
6
7/*****相位累加器模块*****/
8dds_addr dds_addr_inst(
9.clk(clk),
10.rst_n(rst_n),
11.addr_out(addr_out)
12);
13
14/*****波形数据模块*****/
15rom rom_inst (
16.address (addr_out ),
17.clock (clk ),
18.q (q )
19);
20
21endmodule
dds_tb顶层模块的测试模块：
0`timescale1ns/1ps
1
2moduledds_tb;
3
4regclk,rst_n;
5wire[7:0]q;
6
7initialbegin
8clk =1;
9rst_n =0;
10#200.1
11rst_n =1;
12
13#50_000_000$stop;
14end
15
16dds dds_dut(
17.clk(clk),
18.rst_n(rst_n),
19.q(q)
20);
21
22always#10clk =~clk;
23
24endmodule
仿真图:
根据上图可知，我们的设计正确。并且可以实现相位和频率可调。
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