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DDS信号发生器设计（Quartus）

news 来源：原创 2025/4/29 3:10:34

目标

设计一个DDS信号发生器，利用DDS技术合成正弦波和方波，输出信号的频率范围为10Hz～5MHz，最小频率分辨率小于1kHz，使用嵌入式逻辑分析仪Signal Tap实时测试输出波形的离散数据。

原理

虽然正弦波的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增加的，DDS正是利用了这一特点来产生正弦信号。因为一个连续的正弦信号其相位是时间的线性函数，相位对时间的导数为ω，即

θ(t)=2ftπ=ωt

dθ(t)/dt=2fπ=ω

当角频率ω为一定值时，其相位斜率dθ/dt也是一个确定值。此时，正弦波形信号的相位与时间呈线性关系，即Δθ=ω×Δt。根据这一基本关系，利用采样定理，通过查表法就能够产生波形。
如下是产生正弦信号的原理框图。图中CPi为系统基准时钟源，其周期为Ti，在CPi的作用下，地址计数器（从0~（2^n-1)计数）产生数据存储器所需的地址信号。在时钟作用下，周期性地读出正弦波形存储器中的正弦幅度值，经过D/A转换器及低通滤波器就可以合成模拟波形。
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设计方案

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电路设计

1.相位累加器设计

module addr_cnt(input CPi,input [12:0] K,input RSTn,output reg [9:0] ROMaddr,output reg [16:0] Address
);always @(posedge CPi or negedge RSTn) beginif (!RSTn) beginAddress <= 17'h00000;ROMaddr <= 10'h000;end else beginAddress <= Address + K;ROMaddr <= Address[16:7];endend
endmodule

2.波形存储器设计
（1）方波模块

module squwave (input CPi,input RSTn,input [16:0] Address,output reg [11:0] Qsquare
);always @(posedge CPi) beginif (!RSTn) beginQsquare <= 12'h000;end else beginQsquare <= (Address[16]) ? 12'h000 : 12'hFFF;endend
endmodule

（2）正弦波形存储器模块

#include<stdio.h>
#include<math.h>
#define PI 3.141592
#define DEPTH 1024
//数据深度，即存储单元的个数
#define WIDTH 12
//存储单元的宽度
int main(void)
{int n,temp;
float v;
FILE *fp;
/*建立文件名为Sine1024.=if的新文件，允许写入数据，对文件名没有特殊要求，但扩展名必须为，mif*/
fp=fopen("Sine1024.mif","w+");
if(NULL==fp)
printf("Can not creat file! \r\n");
else
{
printf("File created successfully! \n");
/*生成文件头，注意不要忘了 */fprintf(fp, "DEPTH =%d;\n",DEPTH);
fprintf(fp, "wIDTH =%d;\n",WIDTH);
fprintf(fp, "ADDRESS_RADIX=HEX;\n");
fprintf(fp, "DATA_RADIX=HEX;\n");
fprintf(fp,"CONTENT\n");
fprintf(fp,"BEGIN\n");
/*以十六进制输出地址和数据*/
for(n=0;n<DEPTH;n++)
{/*周期为1024个点的正弦波*/
v=sin(2*PI*n/DEPTH);
/*将一1~1之间的正弦波的值扩展到0~4095之间*/
temp=(int)((v+1)*4095/2);//v+1将数值平移到0~2之间
/*以十六进制输出地址和数据*/
fprintf(fp,"%x\t:\t%x;\n",n, temp);
fprintf(fp, "END;\n");
}
fclose(fp);
//关闭文件
}
}

编译运行程序生成mif文件
在这里插入图片描述
查看mif文件，主要调用了altsyncram_component这个模块

使用Tool里的IP Catalog搜索ROM
在这里插入图片描述
配置文件

导入mif文件

勾选生成

3.锁相环倍频电路设计
操作方法和2一致，但不需要导入mif文件，在IP Catalog里搜索ALTDLL，或者自己做一个简易的。

module PLL100M_CP (input inclk0,      // 50MHz输入时钟output reg c0,     // 100MHz输出时钟output locked      // 锁定指示
);reg [1:0] phase_counter;reg [7:0] lock_counter;initial beginc0 = 1'b0;phase_counter = 2'b00;lock_counter = 8'd0;endalways @(posedge inclk0) beginphase_counter <= phase_counter + 1;// 每两个输入时钟周期翻转一次输出if (phase_counter == 2'b01) beginc0 <= ~c0;end// 锁定检测if (phase_counter == 2'b11) beginif (lock_counter < 8'd255) beginlock_counter <= lock_counter + 1;endendendassign locked = (lock_counter == 8'd255);
endmodule

4.顶层电路设计

module DDS_top (input CLOCK_50,input RSTn,input [1:0] WaveSel,input [12:0] K,output reg [11:0] WaveValue,output [0:0] LEDG,output CLOCK_100
);wire [9:0] ROMaddr;wire [16:0] Address;wire [11:0] Qsine, Qsquare;wire CPi = CLOCK_100;// PLL模块PLL100M_CP PLL100M_CP_inst (.inclk0(CLOCK_50),.c0(CLOCK_100),.locked(LEDG[0]));// 地址计数器addr_cnt U0_instance(.CPi(CPi),.K(K),.RSTn(RSTn),.ROMaddr(ROMaddr),.Address(Address));// 正弦波ROMSineROM Sine1024_INST (.address(ROMaddr),.clock(CPi),.q(Qsine));// 方波生成器squwave U1 (.CPi(CPi),.RSTn(RSTn),.Address(Address),.Qsquare(Qsquare));// 波形选择器always @(posedge CPi) beginif (!RSTn) beginWaveValue <= 12'h000;end else begincase (WaveSel)2'b01: WaveValue <= Qsine;    // 正弦波2'b10: WaveValue <= Qsquare;   // 方波default: WaveValue <= Qsine;   // 默认正弦波endcaseendend
endmodule

最后封装成使用KEY，SW可操控的模式

module WaveformGenerator (input CLOCK_50,input [3:3] KEY,input [17:0] SW,output [12:0] GPIO_0,output [0:0] LEDG
);wire CLOCK_100;assign GPIO_0[12] = CLOCK_100;wire RSTn = KEY[3];wire [1:0] WaveSel = SW[17:16];wire [12:0] K = SW[12:0];wire [11:0] WaveValue;assign GPIO_0[11:0] = WaveValue;DDS_top DE2(.CLOCK_50(CLOCK_50),.RSTn(RSTn),.WaveSel(WaveSel),.K(K),.WaveValue(WaveValue),.LEDG(LEDG),.CLOCK_100(CLOCK_100));
endmodule