基于FPGA的DDS任意波形发生器设计


从两式可以看出,正弦信号是关于相位的一个周期函数,下图更加直观的描述相位与幅度的关系,16个相位与16个幅度值相对应,即每一个相位值对应一个幅度值,比如1100对应的相位为3π/2,对应的幅度值为-1.

相位和幅值的一一对应关系就好比存储器中地址和存储内容的关系,如果把一个周期内每个相位对应的幅度值存入存储器当中,那么对于任意频率的正弦信号,在任意时刻,只要已知相位Φ(t),也就知道地址,就可通过查表得到s(t)。下图是DDS的基本结构框图:
相位累加器在每个时钟脉冲输入时,把频率控制字累加一次,相位累加器的输出数据就是信号的相位,用输出的数据作为波形存储器(ROM)的相位取样地址,这样就可以把存取在波形存储器内的波形抽样值经查找表查处,完成相位到幅值的转换。频率控制字相当于Φ(t)中的2πfc,相位控制字相当于Φ(t)中的θ0。
为了获得较高的频率分辨率,则只有增加相位累加器的字长N,故一般N都取值较大。但是受存储器容量的限制,存储器地址线的位数w不可能很大,一般都要小于N。这样存储器的地址线一般都只能接在相位累加器输出的高w位,而相位累加器输出余下的(N-W)个低位则只能被舍弃,这就是相位截断误差的来源。
频率分辨率,即频率的变化间隔
三、实现代码
module DDS (
sys_clk,
sys_rst_n,
freq_word,
phase_word,
wave_out
);
input sys_clk ; //系统工作时钟
input sys_rst_n ; //复位,低有效
input [31:0] freq_word ; //频率控制字,控制输出波形频率
input [11:0] phase_word ; //相位控制字,控制初始相位
output[9:0] wave_out ; //输出波形,位宽10bit
reg [31:0] freq_word_reg ;
reg [11:0] phase_word_reg ;
reg [31:0] phase_adder ; //相位累加器
reg [9:0] rom_address ; //存储深度2^10
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (sys_rst_n ==1'b0) begin
freq_word_reg <= 32'h0000;
end
else
freq_word_reg <= freq_word;
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (sys_rst_n ==1'b0) begin
phase_word_reg <= 12'h0000;
end
else
phase_word_reg <= phase_word;
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (sys_rst_n ==1'b0) begin
phase_adder <= 32'h0000;
end
else
phase_adder <= phase_adder + freq_word_reg; //对频率控制字进行累加
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (sys_rst_n ==1'b0) begin
rom_address <= 32'h0000;
end
else
rom_address <= phase_adder[31:20] + phase_word_reg;
end
sin_rom DDS_ROM_U0 (
.address (rom_address) ,
.clock (sys_clk) ,
.q (wave_out)
);
endmodule
`timescale 1 ns/ 1 ns
module DDS_tb();
reg [31:0] freq_word ;
reg [11:0] phase_word ;
reg sys_clk ;
reg sys_rst_n ;
wire [9:0] wave_out ;
DDS i1 (
.freq_word(freq_word),
.phase_word(phase_word),
.sys_clk(sys_clk),
.sys_rst_n(sys_rst_n),
.wave_out(wave_out)
);
initial
begin
sys_clk = 0;
sys_rst_n = 0;
freq_word = 0;
phase_word = 0;
#2000;
sys_rst_n = 1;
freq_word = 32'd1024; //25M
phase_word = 32'd0; //相位0度
#200000000;
freq_word = 32'd2048; //50M
phase_word = 32'd512; //相位90度
#200000000;
$stop;
end
always sys_clk = #20 ~sys_clk; //系统时钟25M
endmodule

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