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1 項(xiàng)目背景 （技術(shù)交流群544453837） 1.1 信號(hào)發(fā)生器 信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)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(hào)的設(shè)備，在測(cè)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(shí)，以及測(cè)量元器件的特性與參數(shù)時(shí)，用作測(cè)試的信號(hào)源或激勵(lì)源，在生產(chǎn)實(shí)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(xiàng)新技術(shù)，它把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)。 上圖是一個(gè)典型的DDS工程。DDS一般可分為相位累加器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和DAC。 DDS的輸入是頻率控制字，它用來(lái)控制相位累加器每次增加的相位值，相當(dāng)于一個(gè)步進(jìn)值。 相位累加器：每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，就會(huì)在原來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)換器。 信號(hào)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(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度值。例如將一個(gè)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(shí)，就輸出相位為0所應(yīng)對(duì)的幅度值；當(dāng)相位為100時(shí)，就輸出相位為100所對(duì)應(yīng)的幅度值。 的具體工作過(guò)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(lái)一個(gè)時(shí)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(shí)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(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制字K相加；另一方面將這個(gè)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(gè)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(hào)發(fā)生器、濾波信號(hào)輸出等需求。實(shí)際位置如下所示： 芯片型號(hào)是AD9709，AD9709是一款雙端口、高速、雙通道、8位CMOS DAC,其中集成兩個(gè)高品質(zhì)8位TxDAC+®內(nèi)核、一個(gè)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(shí)支持最高125 MSPS的更新速率。 與FPGA相連的信號(hào)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(shí)序 AD9709的控制時(shí)序如下圖 在雙通道模式中，通道A和通道B就如兩個(gè)獨(dú)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(shí)序圖要求，要先將數(shù)據(jù)輸出到DAC_DA7~0，然后經(jīng)過(guò)ts時(shí)間后，將DAC_WRA和DA_CLKA變高，此時(shí)DAC就將數(shù)據(jù)鎖住，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，就會(huì)輸出數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的電流，經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換后就變成對(duì)應(yīng)電壓了。 時(shí)序圖中要注意幾點(diǎn)（數(shù)據(jù)手冊(cè)有詳細(xì)說(shuō)明） 1. DA_CLKA并且超前于或者同時(shí)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(shí)間）、tH（DAC_WRA上升沿后數(shù)據(jù)保值不變的時(shí)間）、tLPW（DAC_WRA的高電平時(shí)間）、tCPW（DAC_CLKA的高電平時(shí)間）等參數(shù)，查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以得到如下參數(shù)表。從表中可以看到tS的時(shí)間至少是2ns；tH時(shí)間至少是1.5ns；tLPW、tCPW時(shí)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(shí)序要求和通道A是相同的，僅是控制信號(hào)不同。 明德?lián)P教學(xué)板的AD9709的兩個(gè)通道，均支持0.48~2.2V的電壓輸出，這個(gè)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(jiàn)，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(shí)現(xiàn)是不相同的。 2 設(shè)計(jì)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(gè)周期為6.25MHz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出16個(gè)采樣點(diǎn)； 2. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為3.125MHz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出32個(gè)采樣點(diǎn)； 3. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為1.5625MHz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出128個(gè)采樣點(diǎn)； 4. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為781250Hz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出128個(gè)采樣點(diǎn)； 5. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為390625Hz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出128個(gè)采樣點(diǎn)； 6. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為195312.5Hz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出128個(gè)采樣點(diǎn)。 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(lái)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(jì)實(shí)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(gè)名為dds_da.v的文件，并用GVIM打開(kāi)，開(kāi)始編寫代碼。 我們要實(shí)現(xiàn)的功能，概括起來(lái)就是FPGA產(chǎn)生控制AD9709，讓其中的通道A產(chǎn)生正弦波所對(duì)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(jì)目標(biāo)的要求，整個(gè)工程需要以下信號(hào)： 1. 使用clk連接到晶振，表示50M時(shí)鐘的輸入。 2. 使用rst_n連接到按鍵，表示復(fù)位信號(hào)。 3. 使用dac_mode信號(hào)連接到AD9709的MODE管腳，用來(lái)控制其工作模式。 4. 使用dac_sleep信號(hào)連接到AD9709的SLEEP管腳，用來(lái)控制其睡眠模式。 5. 使用dac_clka信號(hào)連接到AD9709的CLK1管腳，用來(lái)控制通道A的時(shí)鐘。 6. 使用dac_wra信號(hào)連接到AD9709的WRT1管腳，用來(lái)控制通道A的寫使能。 7. 使用8位信號(hào)dac_da連接到AD9709的DB7~0P1管腳，用來(lái)控制通道A的寫數(shù)據(jù)。 綜上所述，我們這個(gè)工程需要7個(gè)信號(hào)，時(shí)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(hào)，其他都是1位信號(hào)。 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(hào)，dac_da是8位的輸出信號(hào)，dac_mode，dac_clka，dac_wra，dac_sleep是一位輸出信號(hào)。 3.2 信號(hào)設(shè)計(jì) 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(gè)正弦波的周期是5120ns。案例要求一個(gè)周期要輸出128個(gè)點(diǎn)，那就是每隔5120/128=40ns要輸出一個(gè)點(diǎn)。考慮到工程輸入的時(shí)鐘是50MHz，周期是20ns，那就意味著每隔2個(gè)時(shí)鐘就要輸出一個(gè)點(diǎn)。 綜上所述，產(chǎn)生頻率頻率為195312.5Hz的正弦波，就是每隔2個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值，一共輸出128個(gè)點(diǎn)，組成一個(gè)正弦波。我們要連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)正弦波。 現(xiàn)在進(jìn)一步分析下，這128個(gè)點(diǎn)所對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波向上平穩(wěn)1個(gè)單位，使得范圍變成0~2。然后等間隔取128個(gè)點(diǎn)（間隔為2*pi/128），獲取其幅度值。我們?cè)儆?位信號(hào)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(hào)。 綜上所述，產(chǎn)生頻率為195312.5Hz的正弦波，就是每隔2個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值dac_da。先按表XX每隔1個(gè)選出sin_data，再用(255-sin_data)得到dac_da。一共輸出128個(gè)點(diǎn)，組成一個(gè)正弦波，并且連續(xù)輸出2個(gè)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(gè)正弦波的周期是160ns。案例要求一個(gè)周期要輸出8個(gè)點(diǎn)，那就是每隔160/8=20ns要輸出一個(gè)點(diǎn)。考慮到工程輸入的時(shí)鐘是50MHz，周期是20ns，那就意味著每隔1個(gè)時(shí)鐘就要輸出一個(gè)點(diǎn)。 先將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波向上平穩(wěn)1個(gè)單位，使得范圍變成0~2。然后等間隔取8個(gè)點(diǎn)（間隔為2*pi/8），獲取其幅度值。我們?cè)儆?位信號(hào)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(duì)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(shí)間隔16個(gè)點(diǎn)取一個(gè)值，一共取8個(gè)。 綜上所述，產(chǎn)生頻率為6.25MHz的正弦波，就是每隔1個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值dac_da，按表XX中每隔16個(gè)點(diǎn)輸出一個(gè)值，再用(255-sin_data)得到dac_da。一共輸出8個(gè)點(diǎn)，組成一個(gè)正弦波，并且連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)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(gè)周期為6.25MHz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出8個(gè)采樣點(diǎn)。 等價(jià)于：每隔1個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值dac_da，一共輸出8個(gè)點(diǎn)，組成一個(gè)正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔16個(gè)選出得到sin_data，通過(guò)(255-sin_data)得到dac_da。 2. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為3.125MHz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出16個(gè)采樣點(diǎn)。 等價(jià)于：每隔1個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值dac_da，一共輸出16個(gè)，組成一個(gè)正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔8個(gè)選出得到sin_data，通過(guò)(255-sin_data)得到dac_da。 3. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為1.5625MHz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出32個(gè)采樣點(diǎn)。 等價(jià)于：每隔1個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值dac_da，一共輸出32個(gè)，組成一個(gè)正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔4個(gè)選出得到sin_data，通過(guò)(255-sin_data)得到dac_da。 4. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為781250Hz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出64個(gè)采樣點(diǎn)。 等價(jià)于：每隔1個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值dac_da，一共輸出64個(gè)點(diǎn)，組成一個(gè)正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔2個(gè)選出得到sin_data，通過(guò)(255-sin_data)得到dac_da。 5. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為390625Hz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出128個(gè)采樣點(diǎn)。 等價(jià)于：每隔1個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值dac_da，一共輸出128個(gè)點(diǎn)，組成一個(gè)正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔1個(gè)選出得到sin_data，通過(guò)(255-sin_data)得到dac_da。 6. 連續(xù)輸出2個(gè)周期為195312.5Hz的正弦波，其中每個(gè)正弦波輸出128個(gè)采樣點(diǎn)。 等價(jià)于：每隔2個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值dac_da，一共輸出128個(gè)點(diǎn)，組成一個(gè)正弦波，連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)正弦波。 dac_da的產(chǎn)生方式：表XXX每隔1個(gè)選出得到sin_data，通過(guò)(255-sin_data)得到dac_da。 按照至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法中的變量法思想，那么可以概括上面的功能：每隔x個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值，一共輸出y個(gè)點(diǎn)，組成一個(gè)正弦波，每個(gè)要產(chǎn)生要連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)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(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)數(shù)6個(gè)。 總結(jié)出上面的內(nèi)容后，我們開(kāi)始設(shè)計(jì)代碼。 “每隔x個(gè)時(shí)鐘輸出一個(gè)電壓值”，所以這需要一個(gè)計(jì)數(shù)器cnt0，加1條件是“1”，結(jié)束條件是數(shù)到x個(gè)，可以得到cnt0的代碼。 “一共輸出y個(gè)點(diǎn)”，這同樣需要一個(gè)計(jì)數(shù)器cnt1。注意的是，由于每個(gè)點(diǎn)維持x個(gè)時(shí)鐘，也就是cnt1的加1條件是“數(shù)到x個(gè)時(shí)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(gè)要產(chǎn)生要連續(xù)產(chǎn)生2個(gè)正弦波”，這也需要一個(gè)計(jì)數(shù)器cnt2。一個(gè)正弦波由y個(gè)點(diǎn)組成，所以cnt2的加1條件是“數(shù)到y(tǒng)個(gè)”，即end_cnt1，結(jié)束條件是“數(shù)到2個(gè)”。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(gè)計(jì)數(shù)器cnt3來(lái)數(shù)6個(gè)。這個(gè)cnt3的加1條件是“產(chǎn)生完2個(gè)正弦波”，即end_cnt2，結(jié)束條件是“數(shù)到6個(gè)”。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(shí)鐘數(shù)，y表示一個(gè)正弦波的采樣點(diǎn)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(jiǎn)設(shè)計(jì)法中的變量設(shè)計(jì)方法，可以得到x和y的代碼。 有了計(jì)數(shù)器之后，其他信號(hào)就可以根據(jù)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)出來(lái)了。 首先看信號(hào)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(lái)看sin_data信號(hào)。sin_data是從表XX中選擇出來(lái)的值，不同的頻率，選擇的方式不同。那么很自然是定義一個(gè)選擇信號(hào)addr。我們只要控制好addr，就能方便得到sin_data。 |
