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1 項目背景 （技術(shù)交流群544453837） 1.1 信號發(fā)生器 信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，是一種能提供各種頻率、波形和輸出電平電信號的設(shè)備，在測量各種電信系統(tǒng)或電信設(shè)備的振幅特性、頻率特性、傳輸特性及其它電參數(shù)時，以及測量元器件的特性與參數(shù)時，用作測試的信號源或激勵源，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。 直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）是將先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法引入頻率合成的一項新技術(shù)，它把一系列數(shù)字量形式的信號通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號。 上圖是一個典型的DDS工程。DDS一般可分為相位累加器、信號轉(zhuǎn)換器和DAC。 DDS的輸入是頻率控制字，它用來控制相位累加器每次增加的相位值，相當(dāng)于一個步進(jìn)值。 相位累加器：每來一個時鐘脈沖，就會在原來相位值的基礎(chǔ)上，加上頻率控制字的值，得到最新的相位值，將相位值將輸出給信號轉(zhuǎn)換器。 信號轉(zhuǎn)換器：一般轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一片ROM，事先保存了要產(chǎn)生波形的幅度值。根據(jù)輸入的的相位值，就能輸出該相位值所對應(yīng)的信號幅度值。例如將一個完整周期的正弦波等距離分成128份，并保存到轉(zhuǎn)換器的ROM當(dāng)中。當(dāng)相位值為0時，就輸出相位為0所應(yīng)對的幅度值；當(dāng)相位為100時，就輸出相位為100所對應(yīng)的幅度值。 的具體工作過程是由N位相位累加器、N位加法器和N位累加寄存器組成。每來一個時鐘脈沖，N位加法器將頻率控制字K與N位累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，并把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將上一時鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，使加法器在下一時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制字K相加；另一方面將這個值作為取樣地址送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路，幅度/相位轉(zhuǎn)換電路根據(jù)這個地址輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和 LPF將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需要的模擬波形。 1.2 DA轉(zhuǎn)換 明德?lián)P教學(xué)板板載雙通道、125MHz 轉(zhuǎn)換速率、8bi的高速DA芯片，滿足常用信號發(fā)生器、濾波信號輸出等需求。實際位置如下所示： 芯片型號是AD9709，AD9709是一款雙端口、高速、雙通道、8位CMOS DAC,其中集成兩個高品質(zhì)8位TxDAC+®內(nèi)核、一個基準(zhǔn)電壓源和數(shù)字接口電路,采用48引腳小型LQFP封裝。它提供出色的交流和直流性能,同時支持最高125 MSPS的更新速率。 與FPGA相連的信號有：DA_CLKA、DA_CLKB、DAC_DB7~0、DAC_DA7~0，DAC_MODE、DAC_SLEEP、DA_WRA和DA_WRB。 1.3 AD9709的時序 AD9709的控制時序如下圖 在雙通道模式中，通道A和通道B就如兩個獨立的DA芯片。其中DA_CLKA、DAC_DA7~0、DAC_WR_A用于控制通道A，DA_CLKB、DA_DB7~0、DA_WRB用于控制通道B。 以控制通道A為例，時序圖要求，要先將數(shù)據(jù)輸出到DAC_DA7~0，然后經(jīng)過ts時間后，將DAC_WRA和DA_CLKA變高，此時DAC就將數(shù)據(jù)鎖住，經(jīng)過一段時間后，就會輸出數(shù)據(jù)所對應(yīng)的電流，經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換后就變成對應(yīng)電壓了。 時序圖中要注意幾點（數(shù)據(jù)手冊有詳細(xì)說明） 1. DA_CLKA并且超前于或者同時與DA_WRA由0變1。 2. 圖中tS（DAC_WRA上升沿前數(shù)據(jù)保持不變的時間）、tH（DAC_WRA上升沿后數(shù)據(jù)保值不變的時間）、tLPW（DAC_WRA的高電平時間）、tCPW（DAC_CLKA的高電平時間）等參數(shù)，查詢數(shù)據(jù)手冊，可以得到如下參數(shù)表。從表中可以看到tS的時間至少是2ns；tH時間至少是1.5ns；tLPW、tCPW時間至少是3.5ns。圖中規(guī)定了至少，只要大于要求都是可以的。 通道B的時序要求和通道A是相同的，僅是控制信號不同。 明德?lián)P教學(xué)板的AD9709的兩個通道，均支持0.48~2.2V的電壓輸出，這個輸出電壓與輸入數(shù)據(jù)的關(guān)系，可用下面的公式表示： 通道A的輸出電壓 = -1.72 * (DAC_DA /255) + 2.2 V 通道B的輸出電壓 = -1.72 * (DAC_DB/255) + 2.2 V 由公式可見，輸出電壓與DAC_DA/B的值是成線性反比例關(guān)系，最低電壓為0.48V，最高為2.2V。需要指出的是，由于電路原理圖的原因才導(dǎo)致電壓在此范圍，不同電路實現(xiàn)是不相同的。 2 設(shè)計目標(biāo) 本次案例將使用到采樣率大于100M的示波器。將示波器和教學(xué)板上的通道1連接，如下圖所 本案例是要讓DA輸出不同頻率的正弦波。共輸出方式如下： 1. 連續(xù)輸出2個周期為6.25MHz的正弦波，其中每個正弦波輸出16個采樣點； 2. 連續(xù)輸出2個周期為3.125MHz的正弦波，其中每個正弦波輸出32個采樣點； 3. 連續(xù)輸出2個周期為1.5625MHz的正弦波，其中每個正弦波輸出128個采樣點； 4. 連續(xù)輸出2個周期為781250Hz的正弦波，其中每個正弦波輸出128個采樣點； 5. 連續(xù)輸出2個周期為390625Hz的正弦波，其中每個正弦波輸出128個采樣點； 6. 連續(xù)輸出2個周期為195312.5Hz的正弦波，其中每個正弦波輸出128個采樣點。 重復(fù)以上的1~7的步驟。 正弦波的最高電壓是2.2V，最低電壓是0.48V 示波器的顯示結(jié)果如下圖 上圖是整體效果圖，每種頻率的正弦波連續(xù)出現(xiàn)2次，并且正弦波的周期越來越大。 下圖是捕捉到的，頻率為6.25MHz的正弦波，最高電壓是2.2V，最低電壓是0.48V。 下圖是捕捉到的，頻率為3.125MHz的正弦波，最高電壓是2.2V，最低電壓是0.48V。 下圖是捕捉到的，頻率為1.5625MHz的正弦波，最高電壓是2.2V，最低電壓是0.48V。 下圖是捕捉到的，頻率為390625Hz的正弦波，最高電壓是2.2V，最低電壓是0.48V。 下圖是捕捉到的，頻率為195312.5Hz的正弦波，最高電壓是2.2V，最低電壓是0.48V。 3 設(shè)計實現(xiàn)3.1 頂層接口 新建目錄：D:\mdy_book\dds_da。在該目錄中，新建一個名為dds_da.v的文件，并用GVIM打開，開始編寫代碼。 我們要實現(xiàn)的功能，概括起來就是FPGA產(chǎn)生控制AD9709，讓其中的通道A產(chǎn)生正弦波所對應(yīng)的電壓。為了控制AD9709的通道A，就需要控制AD9709的MODE、SLEEP、CLK1、WRT1、DB7~0P1管腳。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)的要求，整個工程需要以下信號： 1. 使用clk連接到晶振，表示50M時鐘的輸入。 2. 使用rst_n連接到按鍵，表示復(fù)位信號。 3. 使用dac_mode信號連接到AD9709的MODE管腳，用來控制其工作模式。 4. 使用dac_sleep信號連接到AD9709的SLEEP管腳，用來控制其睡眠模式。 5. 使用dac_clka信號連接到AD9709的CLK1管腳，用來控制通道A的時鐘。 6. 使用dac_wra信號連接到AD9709的WRT1管腳，用來控制通道A的寫使能。 7. 使用8位信號dac_da連接到AD9709的DB7~0P1管腳，用來控制通道A的寫數(shù)據(jù)。 綜上所述，我們這個工程需要7個信號，時鐘clk，復(fù)位rst_n，dac_mode、dac_sleep、dac_clka、dac_wra和dac_da，其中dac_da是8位信號，其他都是1位信號。 下面表格表示了硬件電路圖的連接關(guān)系。 將module的名稱定義為dds_da，代碼如下： 其中clk、rst_n是1位的輸入信號，dac_da是8位的輸出信號，dac_mode，dac_clka，dac_wra，dac_sleep是一位輸出信號。 3.2 信號設(shè)計 我們先分析下DAC的輸出。以頻率為195312.5Hz的正弦波為例，如下圖。頻率為195312.5Hz，也就是一個正弦波的周期是5120ns。案例要求一個周期要輸出128個點，那就是每隔5120/128=40ns要輸出一個點。考慮到工程輸入的時鐘是50MHz，周期是20ns，那就意味著每隔2個時鐘就要輸出一個點。 綜上所述，產(chǎn)生頻率頻率為195312.5Hz的正弦波，就是每隔2個時鐘輸出一個電壓值，一共輸出128個點，組成一個正弦波。我們要連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波。 現(xiàn)在進(jìn)一步分析下，這128個點所對應(yīng)電壓值是多少？由于教學(xué)板的輸出電壓在0.48~2.2V之間，最低值是0.48V，最高值是2.2V。 先將一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦波向上平穩(wěn)1個單位，使得范圍變成0~2。然后等間隔取128個點（間隔為2*pi/128），獲取其幅度值。我們再用8位信號sin_data表示這些幅度值，其表示方式為： sin_data = (sin(2*pi/128) + 1) * (255/2)，i為0~127 (公式1) 通道A的輸出電壓 = -1.72 * (DAC /255) + 2.2 V 公式中可以看到，通道A的輸出電壓是與DAC_DA成線性反比例關(guān)系。為了讓通道A的電壓正確地展現(xiàn)出正弦波，我們還需要做如下調(diào)整。 DAC_DA = 255 - sin_data 上面的DAC_DA就是最終輸出給DA芯片的數(shù)據(jù)值，即dac_da信號。 綜上所述，產(chǎn)生頻率為195312.5Hz的正弦波，就是每隔2個時鐘輸出一個電壓值dac_da。先按表XX每隔1個選出sin_data，再用(255-sin_data)得到dac_da。一共輸出128個點，組成一個正弦波，并且連續(xù)輸出2個正弦波。 以相同的分析方法，分析頻率為6.25MHz的正弦波。 頻率為6.25MHz，也就是一個正弦波的周期是160ns。案例要求一個周期要輸出8個點，那就是每隔160/8=20ns要輸出一個點。考慮到工程輸入的時鐘是50MHz，周期是20ns，那就意味著每隔1個時鐘就要輸出一個點。 先將一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦波向上平穩(wěn)1個單位，使得范圍變成0~2。然后等間隔取8個點（間隔為2*pi/8），獲取其幅度值。我們再用8位信號sin_data表示這些幅度值，其表示方式為： sin_data = (sin(2*pi/8) + 1) * (255/2)，i為0~7 = (sin(2*pi*16/128) + 1) * (255/2)，i為0~7 (公式2) 對比公式1和公式2，發(fā)現(xiàn)同樣可以由表XX得到相應(yīng)的sin_data，只是此時間隔16個點取一個值，一共取8個。 綜上所述，產(chǎn)生頻率為6.25MHz的正弦波，就是每隔1個時鐘輸出一個電壓值dac_da，按表XX中每隔16個點輸出一個值，再用(255-sin_data)得到dac_da。一共輸出8個點，組成一個正弦波，并且連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波 . 按同樣的分析方法，分析其他頻率。最終總結(jié)如下： 1. 連續(xù)輸出2個周期為6.25MHz的正弦波，其中每個正弦波輸出8個采樣點。 等價于：每隔1個時鐘輸出一個電壓值dac_da，一共輸出8個點，組成一個正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔16個選出得到sin_data，通過(255-sin_data)得到dac_da。 2. 連續(xù)輸出2個周期為3.125MHz的正弦波，其中每個正弦波輸出16個采樣點。 等價于：每隔1個時鐘輸出一個電壓值dac_da，一共輸出16個，組成一個正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔8個選出得到sin_data，通過(255-sin_data)得到dac_da。 3. 連續(xù)輸出2個周期為1.5625MHz的正弦波，其中每個正弦波輸出32個采樣點。 等價于：每隔1個時鐘輸出一個電壓值dac_da，一共輸出32個，組成一個正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔4個選出得到sin_data，通過(255-sin_data)得到dac_da。 4. 連續(xù)輸出2個周期為781250Hz的正弦波，其中每個正弦波輸出64個采樣點。 等價于：每隔1個時鐘輸出一個電壓值dac_da，一共輸出64個點，組成一個正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔2個選出得到sin_data，通過(255-sin_data)得到dac_da。 5. 連續(xù)輸出2個周期為390625Hz的正弦波，其中每個正弦波輸出128個采樣點。 等價于：每隔1個時鐘輸出一個電壓值dac_da，一共輸出128個點，組成一個正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔1個選出得到sin_data，通過(255-sin_data)得到dac_da。 6. 連續(xù)輸出2個周期為195312.5Hz的正弦波，其中每個正弦波輸出128個采樣點。 等價于：每隔2個時鐘輸出一個電壓值dac_da，一共輸出128個點，組成一個正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔1個選出得到sin_data，通過(255-sin_data)得到dac_da。 按照至簡設(shè)計法中的變量法思想，那么可以概括上面的功能：每隔x個時鐘輸出一個電壓值，一共輸出y個點，組成一個正弦波，每個要產(chǎn)生要連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波。由于一共要產(chǎn)生6種不同頻率的正弦波，所以還需要一個計數(shù)器來數(shù)6個。 總結(jié)出上面的內(nèi)容后，我們開始設(shè)計代碼。 “每隔x個時鐘輸出一個電壓值”，所以這需要一個計數(shù)器cnt0，加1條件是“1”，結(jié)束條件是數(shù)到x個，可以得到cnt0的代碼。 “一共輸出y個點”，這同樣需要一個計數(shù)器cnt1。注意的是，由于每個點維持x個時鐘，也就是cnt1的加1條件是“數(shù)到x個時鐘”，即end_cnt0。結(jié)束條件是：數(shù)到y(tǒng)下。可以得到cnt1的代碼。 “每個要產(chǎn)生要連續(xù)產(chǎn)生2個正弦波”，這也需要一個計數(shù)器cnt2。一個正弦波由y個點組成，所以cnt2的加1條件是“數(shù)到y(tǒng)個”，即end_cnt1，結(jié)束條件是“數(shù)到2個”。可以得到cnt2的代碼： 由于一共要產(chǎn)生6種不同頻率的正弦波，所以還需要一個計數(shù)器cnt3來數(shù)6個。這個cnt3的加1條件是“產(chǎn)生完2個正弦波”，即end_cnt2，結(jié)束條件是“數(shù)到6個”。可以得到cnt3的代碼。 我們定義了變量x和y，其中x表示相隔的時鐘數(shù)，y表示一個正弦波的采樣點數(shù)。具體的x和y是與正弦波的不同頻率相關(guān)的，也就是與cnt3相關(guān)。根據(jù)題意和至簡設(shè)計法中的變量設(shè)計方法，可以得到x和y的代碼。 有了計數(shù)器之后，其他信號就可以根據(jù)計數(shù)器設(shè)計出來了。 首先看信號dac_da。dac_da都是按(255-sin_data)得到。那么可以寫出dac_da的代碼 接下來看sin_data信號。sin_data是從表XX中選擇出來的值，不同的頻率，選擇的方式不同。那么很自然是定義一個選擇信號addr。我們只要控制好addr，就能方便得到sin_data。 |
