EDA实验之在FPGA上设计一个DDS模块

一、实验内容

在FPGA上设计一个DDS模块，在DE0 开发板上运行，在FPGA芯片内部合成出数字波形即可。不用输出模拟信号，本模块满足以下条件：

使用板载晶振的50MHz时钟，合成以下频率的信号

- 1 、500KHz 正弦波信号。 2、1MHz 正弦波信号。 3、3MHz 正弦波信号。

-频率字字长32位，波表ROM尺寸为 10比特地址，1024个word

- 波形格式为2补码格式，12比特量化

- 每个CLK输出一个有效样点。

- 输入信号为频率字和频率字输入使能信号

- 使用板载的拨码开关（Switch）控制生成的波形信号的不同频率。

二、设计思路RTL电路图

设计中根据DDS输出波形频率的计算公式：

确定输出频率。

上式中为输出频率，为输入频率，即为系统基准时钟频率50MHz。m为地址加法器的宽度，K为频率控制字。设计中通过控制K的大小控制输出频率，由于K只能取整数，输出频率可能会有一定偏差。

三、Quartus扫描生成的RTL电路图

四、实验相关程序代码

1、地址加法器模块

module addr_cnt（CLK，sel_K，CLR，En，ROMaddr）;

input CLK;

input ［1:0］ sel_K;

input En，CLR;

output ［9:0］ ROMaddr;

reg ［9:0］ cnt_out;

assign ROMaddr=cnt_out;

always @ （posedge CLK or negedge CLR）

if（~CLR）

cnt_out《=10‘d0;

else if（~En）

cnt_out《=cnt_out;

else begin

case（sel_K）

2’b00:cnt_out《=cnt_out+10‘b00000_01010;

2’b01:cnt_out《=cnt_out+10‘b00000_10100;

default:cnt_out《=cnt_out+10’b00001_11101;

endcase

end

endmodule123456789101112131415161718192021222324

2、顶层设计模块

module Sine_Signal （Dout，ROMaddr，CLK，CLR，En，sel_K）; //顶层模块

output ［11:0］ Dout; //离散的正弦波形输出

output ［9:0］ ROMaddr; //ROM的地址

input CLK /* synthesis chip_pin=“G21” */ ; //50MHz时钟

input CLR /* synthesis chip_pin=“H2” */ ; //清零KEY0

input En /* synthesis chip_pin=“J6” */; //使能SW0

input ［1:0］ sel_K /* synthesis chip_pin=“H6，H5” */; //输出频率控制字选择SW2、SW1

addr_cnt U0_inst（ //实例引用地址计数器模块

.CLK（CLK），

.CLR（CLR），

.En（En），

.sel_K（sel_K），

.ROMaddr（ROMaddr）

）;

myROM myROM_inst（ //实例引用上面定制的ROM模块

.address（ROMaddr）， //ROM的地址输入端

.clken（En），

.clock（CLK）， //时钟输入端

.q（Dout） //数据输出端

）;

endmodule123456789101112131415161718192021

3、正弦波形存储模块C语言程序

#include《stdio.h》

#include《math.h》

#define PI 3.141593

#define DEPTH 1024 /* 数据深度，即存储单元的个数 */

#define WIDTH 12 /* 存储单元的宽度 */

int main（void）

{

int n，temp;

float v;

FILE * fp;

/* 建立文件名为sine1024.mif新文件，允许写入数据，

文件名随意，但扩展名必须为.mif */

fp = fopen（“sine1024.mif”，“w+”）;

if（NULL==fp）

printf（“Can not creat file！ ”）;

else

{

printf（“File created successfully！ ”）;

/* 生成文件头，注意不要忘了“;” */

fprintf（fp，“DEPTH=%d; ”，DEPTH）;

fprintf（fp，“WIDTH=%d; ”，WIDTH）;

fprintf（fp，“ADDRESS_RADIX = HEX; ”）;

fprintf（fp，“DATA_RADIX = HEX; ”）;

fprintf（fp，“CONTENT ”）;

fprintf（fp，“BEGIN ”）;

/* 以十六进制输出地址和数据 */

for（n=0;n《DEPTH;n++）

{

/* 周期为1024个点的正弦波 */

v=sin（2*PI*n/DEPTH）;

/* 将-1~1之间的正弦波的值扩展到0~4095之间 */

temp=（int）（（v+1）*4095/2）; //v+1将数值平移到0~2之间

/* 以十六进制输出地址和数据 */

fprintf（fp，“%x ： %x; ”，n，temp）;

}

fprintf（fp，“END; ”）;

fclose（fp）; //关闭文件

}

}123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839

4、matlab正弦波频谱分析程序

将signal tap采集的正弦波数据生成.txt文件保存，导入到matlab中分析频谱。

clear all; close all；

varnum; %调用signal tap 采集的正弦波数据，列矢量

signal=transpose（VarName）; %转置

fs=50E6; %采样频率

N=1024; %采样点数

t=［0:1/fs：（N-1）/fs］; %采样时刻

figure（1）;plot（t，signal）;

title（‘正弦波信号’）;

xlabel（‘Time （s）’）;

ylabel（‘Magnitude’）;

Y = fft（signal，N）; %做FFT变换

Ayy = abs（Y）; %取模

Ayy=Ayy/（N/2）; %换算成实际的幅度

Ayy（1）=Ayy（1）/2;

F=（［1:N］-1）*fs/N; %换算成实际的频率值，Fn=（n-1）*Fs/N

figure（2）;

stem（F（1:N/2），Ayy（1:N/2））; %显示换算后的FFT模值结果

axis（［0 5E6 0 2500］）;

title（‘正弦信号频谱图’）;

xlabel（‘Frequency （Hz）’）;

ylabel（‘Magnitude’）;12345678910111213141516171819202122

五、实验结果

1、signal tap 数据截图

（1）f1=500kHz正弦波，地址位宽m=10，频率控制字K=10

（2）f2=1MHz正弦波，地址位宽m=10，频率控制字K=20

（2）f2=3MHz正弦波，地址位宽m=10，频率控制字K=61

2、matlab频谱分析

由频谱图可以看出DDS输出的频率略小于实验要求的频率。这是由于实验中频率控制字只能取整数，略去了小数位，实际取值小于理论计算值。实验结果与理论推算结果是一致的。