頻率可變的任意波形生器的設(shè)計(jì)

1、 課程名稱： Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱： 頻率可變?nèi)我獠ㄐ伟l(fā)生器的設(shè)計(jì) 學(xué)院： 電子科學(xué)與技術(shù) 專業(yè)： 微電子 指導(dǎo)教師： 報(bào)告人： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2009-12-8 2010-1-11 實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間： 2010-1-4 教務(wù)處制（·····這里可加前言摘要之類的東西····自己想來寫···）1 設(shè)計(jì)原理DDS是一種把數(shù)字信號(hào)通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的合成技術(shù)。直接數(shù)字頻率合成技術(shù) (DDS)是一種以采樣定理為基礎(chǔ)的全數(shù)字化頻率合成

2、波形的方法 。DDS頻率合成器主要由頻率寄存器 、相位寄存器 (需要時(shí)可加入 ) 、相位累加器 、波形存 儲(chǔ)表 ( ROM ) , DAC轉(zhuǎn)換器和模擬低通濾波器 ( LPF ) 等組成 。在系統(tǒng)時(shí)鐘 ( SYSCLK)輸入一定的情況下 ,頻率寄存器中的頻 率控制字決定系統(tǒng)輸出頻率 , 而相位累加器的位數(shù)決定了系統(tǒng)頻率分辨率 。總體設(shè)計(jì)方案及其原理說明：FPGA圖 1-1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案相位累加器由 N 位加法器和 N 位累加寄存器級(jí)聯(lián)而成 。每當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCL K產(chǎn)生一個(gè)上升沿 , N 位加法器將頻率寄 存器中的頻率控制字 ( FR EQDA TA )與上一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘累加寄 存器輸出的

3、累加相位數(shù)據(jù)相加 ,相加后的結(jié)果送累加寄存器 。 這樣在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下 , 不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位 累加 ,相位累加器的溢出率就是 DD S任意波形發(fā)生器的輸出 頻率 。2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)際上 DD S就是通過改變地址增量來達(dá)到控制輸出頻率 的目的 ,而波形存儲(chǔ)器 ( ROM )是以相位為地址 ,存有一個(gè)或多個(gè)按相位劃分幅值的波形幅度信息 。參考頻率f_clk為整個(gè)合成器的工作頻率,輸入的頻率字保存在頻率寄存器中,經(jīng)位相位累加器,累加一次,相位步進(jìn)增加,經(jīng)過內(nèi)部ROM波形表得到相應(yīng)的幅度值,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波器得到合成的波形（數(shù)模轉(zhuǎn)換在這里不作要求）。P為頻率字,即相位增量;參考頻

4、率為_clk;相位累加器的長度為位,輸出頻率_out為：式中F_out為輸出信號(hào)的頻率；F_clk為基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率。N為相位累加器的位數(shù)；P為頻率控制字（步長）。理論上通過設(shè)定F_clk、N和P就可以得到各種頻率波形的輸出。在本設(shè)計(jì)中 , 相位累加器位數(shù) N =6, f_clk位 長 為 32, 系 統(tǒng) 時(shí) 鐘 頻 率 為 27M H z。3 各模塊實(shí)現(xiàn)3. 1相位累加器在設(shè)計(jì)波形發(fā)生器時(shí) , 要 實(shí) 現(xiàn) 頻 率 可 變 ，相位累加器是關(guān)鍵的一個(gè)部分 。在 modelsim 開發(fā)環(huán)境下，本實(shí)驗(yàn)通過改變P的值來變換輸出頻率f_out。假設(shè)P初值為0，每個(gè)波形（正弦波、方波、正三角波、反三角波）的采

5、樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的仿真數(shù)值輸出，P累加一次，即P=P + n , n = 16 ；當(dāng)P >= 56時(shí)，P置零，依此循環(huán)累加。頻率的不同，即波形周期的不同，函數(shù)單周期內(nèi)輸出波形的量化數(shù)據(jù)的寬度也不一樣。 （正弦波為例）如下圖所示：（····你用自己的方式表示····我的是以這種方式··你用其他方式吧，怕老師為難） 圖1-2 正弦波的仿真輸出如圖，當(dāng)P=16時(shí)，將P值代入公式，在本設(shè)計(jì)中 , 相位累加器位數(shù) N = 6, f_clk位 長 為 32, 系 統(tǒng) 時(shí) 鐘 頻 率f_clk為 27M H z

6、，則可計(jì)出輸出頻率f_out=16/64*27000000=6.75MHZ；同理可求出當(dāng)P=32、48或64時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出頻率f_out。3. 2模9計(jì)數(shù)器本實(shí)驗(yàn)各個(gè)波形一個(gè)周期內(nèi)采取9個(gè)量化數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以用模9計(jì)數(shù)器。八位段寄存器D的低四位D【3：0】用于計(jì)數(shù)，高四位D【7：4】用于波形選擇。D【7：4】=DH，當(dāng)DH=0000時(shí)，輸出為正弦波；DH=0001時(shí)，輸出為方波；DH=0010時(shí)，輸出為正三角波；DH=0011時(shí)，輸出為反三角波。累加器部分和計(jì)數(shù)器部分的主要程序代碼如下：always (posedge f_clk) begin D7:4=DH; begin if(p>=56)

7、begin p=n; begin if(D3:0>=4'b1000) D3:0<=0; else D3:0<=D3:0+4'b0001; end end else p=p+n; endend3. 3 ROM波形存儲(chǔ)表本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)ROM按順序間隔存放所有波形的量化數(shù)據(jù)，并在 modelsim 開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行波形數(shù)字仿真輸出。各波形的量化數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)如下：段地址 基地址 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0000 0000 0 0000 0001 7 0000 0010 10 0000 0011 7 0000 0100 0 0000 0101 -7

8、0000 0110 -10 0000 0111 -7 0001 0000 10 0001 0001 10 0001 0010 10 0001 0011 10 0001 0100 10 0001 0101 -10 0001 0110 -10 0001 0111 -10 0010 0000 0 0010 0001 1 0010 0010 2 0010 0011 3 0010 0100 4 0010 0101 5 0010 0110 6 0010 0111 7 0011 0000 0 0011 0001 -1 0011 0010 -2 0011 0011 -3 0011 0100 -4 0011 0

9、101 -5 0011 0110 -6 0011 0111 -7 圖1-3 函數(shù)查找表的設(shè)計(jì)四種波形單周期的取樣示意圖如下： 圖1-4 四種波形單周期的取樣示意圖程序編寫用function函數(shù)來對(duì)ROM波形函數(shù)存儲(chǔ)表存儲(chǔ)各波形的量化數(shù)據(jù)。各波形量化數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)程序代碼如下：function 7:0 ROM;input 7:0 D;case(D)/正弦波的量化采樣數(shù)據(jù)/8'b00000000: ROM = 0;8'b00000001: ROM = 7;8'b00000010: ROM = 10;8'b00000011: ROM = 7;8'b00000100

10、: ROM = 0;8'b00000101: ROM = -7;8'b00000110: ROM = -10;8'b00000111: ROM = -7;8'b00001000: ROM =0;/方波的量化采樣數(shù)據(jù)/8'b00010000: ROM = 10;8'b00010001: ROM = 10;8'b00010010: ROM = 10;8'b00010011: ROM = 10;8'b00010100: ROM = 10;8'b00010101: ROM = -10;8'b00010110: RO

11、M = -10;8'b00010111: ROM = -10;8'b00011000: ROM = -10;/正三角波的量化采樣數(shù)據(jù)/8'b00100000: ROM = 0;8'b00100001: ROM = 1;8'b00100010: ROM = 2;8'b00100011: ROM = 3;8'b00100100: ROM = 4;8'b00100101: ROM = 5;8'b00100110: ROM = 6;8'b00100111: ROM = 7;8'b00101000: ROM = 8;

12、/反三角波的量化采樣數(shù)據(jù)/8'b00110000: ROM = 0;8'b00110001: ROM = -1;8'b00110010: ROM = -2;8'b00110011: ROM = -3;8'b00110100: ROM = -4;8'b00110101: ROM = -5;8'b00110110: ROM = -6;8'b00110111: ROM = -7;8'b00111000: ROM = -8;default : ROM = 8'bx; endcaseendfunctionassign dat

13、e= ROM(D);4 仿真試驗(yàn)在modelsim 開發(fā)環(huán)境下，編寫一個(gè)仿真程序，并可仿真輸出各波形的量化數(shù)據(jù)。仿真程序如下：include"DDS.v"module test;wire 7:0 date,D;wire 27:0 p;reg f_clk; reg 27:0 n;reg 3:0 DH;always #10 f_clk = f_clk;initial begin f_clk =0; DH=0; n=16; #720 DH = 1; #720 DH = 2; #720 DH= 3; end test w4 (.p(p),.D(D),.date(date),.f_c

14、lk(f_clk),.n(n),.DH(DH); endmodule下面是所設(shè)計(jì)的 DD S任意波形發(fā)生器在 modelsim 中的時(shí)序仿真。（·········圖你自己找其他的，這些圖我刪了一些，這部分你自己想辦法修一下···） 圖1-5 正弦波的仿真輸出如圖所示，當(dāng)段地址DH=0000時(shí)，單周期內(nèi)輸出正弦波采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)date對(duì)應(yīng)的數(shù)值依此為0、7、10、7、0、-7、-10、-7、0。 圖1-6 方波的仿真輸出如圖所示，當(dāng)段地址DH=0001時(shí)，單周期內(nèi)輸出方波采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)date對(duì)應(yīng)的數(shù)值依此為10、-10； 圖1-8 正三角波的仿真輸出如圖所示，當(dāng)段地址DH=0010時(shí)，單周期內(nèi)輸出正三角波采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)date對(duì)應(yīng)的數(shù)值依此為0、1、2、3、4、5、6、7、8； 圖1-10 反三角波的仿真輸出如圖所示