基于Verilog的DDS波形發生器的分析與實現（三角波、正弦波）

　　最近學習了一下關于DDS的相關知識，本篇概要記錄一下自己的理解與實現。

　　DDS信號發生器采用直接數字頻率合成(Direct Digital Synthesis，簡稱DDS)技術，把信號發生器的頻率穩定度、準確度提高到與基準頻率相同的水平，并且可以在很寬的頻率范圍內進行精細的頻率調節。采用這種方法設計的信號源可工作于調制狀態，可對輸出電平進行調節，也可輸出各種波形。

　　下圖為DDS 的基本結構圖

　　由上圖 可以看出，DDS 主要由相位累加器、相位調制器、波形數據表以及 D/A 轉換器構成。

　　相位累加部分控制輸出波形頻率，相位字輸入部分來改變相位，ROM表中存儲一個周期波形的幅度值。

　　其中相位累加器由 N 位加法器與 N 位寄存器構成。每來一個時鐘，加法器就將頻率控制字與累加寄存器輸出的相位數據相加，相加的結果又反饋至累加寄存器的數據輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。即在每一個時鐘脈沖輸入時，相位累加器便把頻率控制字累加一次。相位累加器輸出的數據就是合成信號的相位。相位累加器的溢出頻率，就是 DDS 輸出的信號頻率。（解釋：定義一個N位寄存器，一般為32位，如果來一個時鐘計一次，那就要計2^32次才滿，這樣太慢，因此引入頻率控制字設為A，以前以1為單位，現在以A為單位計數累加，可以控制計數更新的速度）

　　用相位累加器輸出的數據，作為波形存儲器的相位采樣地址，這樣就可以把存儲在波形存儲器里的波形采樣值經查表找出，完成相位到幅度的轉換。波形存儲器的輸出送到 D/A 轉換器，由 D/A 轉換器將數字信號轉換成模擬信號輸出。

　　一般32位累加器不會全用來輸出作為ROM地址，會根據ROM深度來適當截取高位作為地址，其余位可以作為控制頻率。例如現在ROM中存儲波形一個周期數據每個數據位寬8位，則數據范圍為0-2^8（256），但是要產生一個周期波形需要512個，因為0-256一般是上升期，256-0處于下降期，那么現在ROM深度為512，則地址位寬應為9位，2的9次方=512，則32位累加器只需高9位即可[31：23]尋址，其余位用來控制地址改變的頻率。假如現在每來一個時鐘地址變一次，那么其余位(即頻率控制字A)應設置為32‘h800000即32’b0000_0000_10000000_0000_0000_0000_0000，最高位1其實就是地址的最低位，累加器初始為0，來個時鐘沿加一次A，高9位地址變化一次。要想兩個時鐘變化一次，那么A就是32‘b0000_00000100_0000_0000_0000_0000_0000，兩個時鐘之后地址的最低位才會變化。這樣通過對頻率控制字A的設置就可以達到改變地址的變化頻率，其實就是輸出的頻率。不知道這樣說看者能否理解。

　　代碼：

　　module dds(

　　clk,

　　rst,

　　Fword, //頻率控制字A

　　Pword, //相位控制字

　　data

　　);

　　input clk,rst;

　　input [31:0] Fword;

　　input [8:0] Pword;

　　output [7:0] data; //8位數據

　　reg [31:0] r_Fword;

　　reg [8:0] r_Pword;

　　reg [31:0] cnt;

　　wire [8:0] rom_adder;

　　always@(posedge clk)

　　begin

　　r_Fword<=Fword;

　　r_Pword<=Pword;

　　end

　　always@(posedge clk or negedge rst)    //累加器部分

　　begin

　　if(!rst)

　　cnt<=32'd0;

　　else

　　cnt<=cnt+r_Fword;

　　end

　　assign rom_adder=cnt[31:23]+r_Pword;     //ROM地址

　　rom  rom(                              //例化一個ROM ip核

　　.address(rom_adder),

　　.clock(clk),

　　.q(data)

　　);

　　endmodule

　　tb:

　　`timescale 1ns/1ns

　　module dds_tb;

　　reg clk,rst;

　　reg [31:0] Fword;

　　reg [8:0] Pword;

　　wire [7:0] data;

　　dds u0(

　　.clk(clk),

　　.rst(rst),

　　.Fword(Fword),

　　.Pword(Pword),

　　.data(data)

　　);

　　initial clk=1;

　　always #10 clk=~clk;

　　initial begin

　　rst=0;

　　Fword=32'h800000;

　　Pword=9'd0;

　　#101;

　　rst=1;

　　#500;

　　$stop;

　　end

　　endmodule

　　ROM中值，用來比對，在例化ip是輸出加了一個寄存器，因此會延時一拍輸出。主時鐘50M,下圖把data轉換為模擬值，兩個黃線之間為頻率97.65khz，A為32‘h800000=32’d8388608，50_000_000乘以A等于419430400000000，除以2^32等于97656.25khz驗證正確。

　　更改ROM中mif文件，添加三角波，ROM中三角波這里一共有256個數值，0-127,127-0，地址位寬為8位，那么[31:24]作為地址，其余位作為頻率控制字。只需改動程序中地址位寬就可以了，A暫時設為32‘h01000000，下圖為相位控制字為8‘h0,8’h5；可以看出相位控制字不會改變輸出頻率.

　　附加：如果此時知道主時鐘50M，想生成一個25M的波形，那么首先根據公式計算出A=2147483648即二進制1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000.仿真如下圖為方波，因為根據地址變化只取0、127.

　　總結：本文內容也是在看相關視頻后自己更改ROM深度，更換波形仿真后得出，由于敘述水平有限，其中原理可以自行查看其他文章內容了解，關于本文如有不懂之處可以聯系我，共同再探討。同時其中主要思想可以用來作為任意分頻設計，后續再做。

　　文末附上一個mif文件生成器，不然手動輸入ROM值太慢了

　更多信息可以來這里獲取==>>電子技術應用-AET<<