DDS信号发生器的FPGA实现及Verilog设计代码详解

DDS（Direct Digital Synthesis）是一种把一系列数字信号通过D/A转换器转换成模拟信号的数字合成技术。

它有查表法和计算法两种基本合成方法。在这里主要记录DDS查表法的fpga实现。

查表法：由于ROM查询法结构简单，只需要在ROM中存放不同相位对应的幅度序列，然后通过相位累加器的输出对其寻址，经过数/模转换和低通滤波（LPF）输出便可以得到所需要的模拟信号。

查表法示意图：

设计：

　　输入：频率控制字f，相位控制字，系统时钟Fclk，复位信号reset

　　输出：幅度数据dout。

　　关系：Tout = M * Tclk 即 Fout = Fclk / M 。其中，M为一个波形的离散点数。

简单解释一下：比如我们把一个正弦波形分为16个点，而ROM容量为8，那么我们的点数间隔就要取16 / 8 = 2 ，即频率控制字为 2 。

细节：由于在设计时点数间隔不一定为1，即相位累加器的值可能大于ROM容量，所以我们要取它的高位到ROM中取相位对应的幅度点。如：频率控制字=4，则相位累加器的值为：0（00000），4（00100），8（01000），12（010100） …….  也就是说因为步进4（100），后两位将一直保持不变，高位每次加1（1个4），可以类比十进制理解：每次加10：000，010，020，030…最后一位不变。

 代码实现：

module DDS_Module(
    clk ,
    reset ,
    f_ctrl ,
    p_ctrl ,
    dout
    );
    input clk ;
    input reset ;
    input [2:0]f_ctrl ;//（取值限制为2的倍数）
    input [9:0]p_ctrl ;
    output [9:0]dout ;
    
    //频率控制字寄存器（频率）(大于1的时候，后面相位累加器输出到实时相位时要砍掉它的位宽)
    reg [2:0]f_regist ;//（取值限制为2的倍数）
    always @ (posedge clk)
        f_regist <= f_ctrl ;
    
    //相位累加器  （f * t）  
    reg [12:0]p_add ;
    always@(posedge clk or negedge reset )
        if(!reset )
            p_add <= 0 ;
        else
            p_add <= p_add + f_regist ;
    
    //相位控制字寄存器（初始相位）（相位偏移量）
    reg [9:0]p_regist ;
    always @ (posedge clk)
        p_regist <= p_ctrl ;
    
    //实时相位
    reg [9:0]p_now ;
    always@(posedge clk or negedge reset )
        if(!reset )
            p_now <= 0 ;
        else
            p_now <= p_add[12:3] + p_regist ; //取相位累加器的前10位，因为f每次+4，后三位是不变的
        
      DDS_ROM   DDS_ROM(
      .clka(clk),
      .addra(p_now),
      .douta(dout)
    );
    
    
endmodule

这里是需要引用ROM的IP核的，上节内容。

`timescale 1ns / 1ps
module DDS_tb(
    );
    reg clk ;
    reg reset ;
    reg [2:0]f_ctrl1 ;
    reg [2:0]f_ctrl2 ;
    reg [9:0]p_ctrl1 ;
    reg [9:0]p_ctrl2 ;
    wire [9:0]dout1 ;
    wire [9:0]dout2 ;
    DDS_Module  DDS_Module1(
    .clk(clk) ,
    .reset(reset) ,
    .f_ctrl(f_ctrl1) ,
    .p_ctrl(p_ctrl1) ,
    .dout(dout1)
    );
    
    DDS_Module  DDS_Module2(
    .clk(clk) ,
    .reset(reset) ,
    .f_ctrl(f_ctrl2) ,
    .p_ctrl(p_ctrl2) ,
    .dout(dout2)
    );
    
    initial clk = 1 ;
    always #10 clk = !clk ;
    initial begin 
    reset = 0 ;
    f_ctrl1 = 0 ; 
    p_ctrl1 = 0 ;
    f_ctrl2 = 0 ; 
    p_ctrl2 = 0 ;
    #201 ;
    reset = 1 ;
    #201 ;
    f_ctrl1 = 3'd4;
    p_ctrl1 = 10'd0 ;
    f_ctrl2 = 3'd4;
    p_ctrl2 = 10'd0 ;
    #90000 ;
    #90000 ;
    #90000 ;
    #90000 ;
    f_ctrl1 = 3'd4;
    p_ctrl1 = 10'd0 ;
    f_ctrl2 = 3'd4;
    p_ctrl2 = 10'd256 ;
    #90000 ;
    #90000 ;
    #90000 ;
    f_ctrl1 = 3'd4;
    p_ctrl1 = 10'd0 ;
    f_ctrl2 = 3'd4;
    p_ctrl2 = 10'd512 ;
    #90000 ;
    #90000 ;
    #90000 ;
    $stop;
    end
endmodule

效果：分别是相位差  0° ，90 °，180°