DDS

来源：互联网发布：淘宝上卖假货犯法吗编辑：程序博客网时间：2024/04/30 18:16

作业要求

在FPGA上设计一个DDS模块，在DE0 开发板上运行，在FPGA芯片内部合成出数字波形即可。不用输出模拟信号，本模块满足以下条件

使用板载晶振的50MHz时钟，合成以下频率的信号
1、500KHz 正弦波信号。 2、1MHz 正弦波信号。3、3MHz 正弦波信号。
频率字字长32位，波表ROM尺寸为 10比特地址，1024个word。
波形格式为2补码格式，12比特量化。
每个CLK输出一个有效样点。
输入信号为频率字和频率字输入使能信号。
使用板载的拨码开关（Switch）控制生成的波形信号的不同频率。
注意：波表ROM代码是用matlab或C打印生成的。不要手写。

内容要求

使用CSDN技术博客交作业
人工绘制的电路结构RTL设计图，该图片用于说明你设计电路时的想法，注意要在RTL图中画出Verilog代码中的生成D触发器 reg 变量。
Quartus扫描生成的电路RTL图，该图片用于说明Quartus的电路编译结果。
相位累加器的输出，SignalTap截图。
波表ROM的输入地址，SignalTap截图。
至少捕获一个完整的输出正弦波形周期的上述数据数值的SignalTap截图。
输出正弦波的样值波形，SignalTap截图。
提交Verilog、相关MATLAB 代码，请使用博客中提供的代码块功能。
分析输出的正弦波信号的频谱，Matlab 截图。

手绘RTL图

这里写图片描述

Quartus扫描 RTL图

这里写图片描述

SignalTap截图

相位累加器输出
波表ROM的输入地址
输出正弦波形图

SW1=01时，选频500KHz
这里写图片描述
SW1=10时，选频1MHz

SW1=11时，选频3MHz

–将SignalTapII抓取的ROMOUT值导出（Create SignalTapII List File），以便后续使用UltraEditor的列模式处理数据。

MATLAB截图

这里写图片描述

误差分析：
频率字长为32位，但地址位只有10位，舍弃掉了相位累加器的低22位，将高10位赋给地址位，精度降低。
对于500k的正弦波：理论k值为32h’028F5C28，实际为32h’02800000，绝对误差为32h’F5C28,合成的实际正弦波频率比500kHz低11718Hz，相对误差为2.4%；
对于1M的正弦波：理论k值为32h’051EB850，实际为32h’05000000，绝对误差为32h’1EB850合成的实际正弦波频率比1MHz低23437Hz，相对误差为2.4%；
对于3M的正弦波：理论k值为32h’0F5C28F0，实际为32h’0F400000，绝对误差为32h’1C28F0,合成的实际正弦波频率比3MHz低21484Hz，相对误差为0.7%；

以3M为例具体分析：
figure1：
这里写图片描述
figure2：

频谱分析：
figure1和figure2各自横向比较可以看出，当数据长度增加时，频率的分率有明显提升；figure1和figure2相互比较可以看出，补零可以看到峰值更多细节，但并不能提高分辨率。
频率分辨率可以理解为在使用DFT时，在频率轴上的所能得到的最小频率间隔f0=fs/N=1/NTs=1/T,其中N为采样点数，fs为采样频率，Ts为采样间隔。一段数据拿来就确定了时间T，注意：f0=1/T，而T=NTs，增加N必然减小Ts ，因此，增加N时f0是不变的。只有增加点数的同时导致增加了数据长度T才能使分辨率越好。补零并没有增加有效数据的长度，仍然为T。

verilog代码

 - 选频模块module freq_choice(CLK,FWEN,           //ENABLEfreq_in,freq_out);parameter VAL_FREQ_500K = 32'h028F_5C29;//32'd42949673input         CLK;input         FWEN;input  [2-1:0]freq_in;output [32-1:0]freq_out;reg    [32-1:0]freq_out;always@(posedge CLK)begin    if(FWEN)begin    case(freq_in)        2'b00:freq_out=0;                //NO OUTPUT         2'b01:freq_out=VAL_FREQ_500K;    //CHOOSE 500K        2'b10:freq_out=VAL_FREQ_500K*2;  //CHOOSE 1M        2'b11:freq_out=VAL_FREQ_500K*6;  //CHOOSE 3M        default:freq_out=0;         endcase    end    else        freq_out <= freq_out;            //HOLD ON endendmodule

 - 相位累加器模块module dds_core(  CLK   ,   // CLOCK   INCR  ,   // INCREASE  VALUE   TEMP  ,   // TEMPORARY VALUE  COUT);    // COUNTER   VALUEinput             CLK;input      [31:0] INCR;output reg [31:0] TEMP ;output reg [9:0]  COUT;always @ (posedge CLK) begin  TEMP <= INCR + TEMP;  COUT<=TEMP[31:31-9];endendmodule   // module dds_core

 - ROM码表// ************************************************************** //// FILE    : DDS_CORE_ROM.v // DSCP    : DDS CORE ROM FILE// ABOUT   : auto generated rom file by gen_rom_rtl.m// ************************************************************** //// module DDS_CORE_ROM()module DDS_CORE_ROM(  CLK    ,           // clock  RA     ,           // read address  RD     );          // read datainput          CLK;input  [9  :0] RA;output [11 :0] RD;reg    [11 :0] RD;always @ (posedge CLK)  case(RA)     10'd 0     :RD = #1 12'b 000000000000; //      0 0x0      10'd 1     :RD = #1 12'b 000000001100; //     12 0xC      10'd 2     :RD = #1 12'b 000000011001; //     25 0x19      10'd 3     :RD = #1 12'b 000000100101; //     37 0x25      10'd 4     :RD = #1 12'b 000000110010; //     50 0x32      10'd 5     :RD = #1 12'b 000000111110; //     62 0x3E      10'd 6     :RD = #1 12'b 000001001011; //     75 0x4B      10'd 7     :RD = #1 12'b 000001010111; //     87 0x57      10'd 8     :RD = #1 12'b 000001100100; //    100 0x64      10'd 9     :RD = #1 12'b 000001110000; //    112 0x70      ......   default : RD = #1 0;  endcaseendmodule

MATLAB代码

ROM生成代码

此处特别鸣谢代码原创者杜老师

function generate_DDS_rom()clc;close all;disp('##########################################');disp('# generate_DDS_rom() RUN');disp('##########################################');%%///////////////////////////////////////////////////%   set your rom config hererom_word_len = 12;  % rom data word length in bitrom_addr_len = 10;  % rom address word length in bitrom_file_name = 'DDS_CORE_ROM.v';  % rom file namerom_file_dir  = './';  % rom file dir pathdescription   = 'DDS CORE ROM FILE' % rom description%%///////////////////////////////////////////////////rom_vec_len = 2^rom_addr_len;index = [0:rom_vec_len-1] .';rom_data_vec_float = sin(2*pi*index/rom_vec_len);figure; plot(rom_data_vec_float);    % for debugrom_data_vec_int = fix(rom_data_vec_float * (2^(rom_word_len-1) - 1));figure; plot(rom_data_vec_int);    % for debugrom_cfg.rom_word_len  = rom_word_len   ;rom_cfg.rom_file_name = rom_file_name  ;rom_cfg.rom_file_dir  = rom_file_dir   ;rom_cfg.description   = description    ;gen_rom_rtl(rom_cfg, rom_data_vec_int);end % generate_DDS_rom()% ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////% gen_rom_rtl()%   generate synthesizable rom  hdl code(need synthesizer support).% ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////% INPUT: %   data vector, must be integer value%   rom word len%   rom file dir string%   rom file name string% OUTPUT:%   verilog format rom file, all data in 2's complement code formatfunction gen_rom_rtl(rom_cfg, data_vec);  rom_word_len   = rom_cfg.rom_word_len  ;  rom_file_name  = rom_cfg.rom_file_name ;  rom_file_dir   = rom_cfg.rom_file_dir  ;  description    = rom_cfg.description   ;  data_vec_len = length(data_vec);  addr_word_len  = ceil(log2(data_vec_len));  % check input be integer value  data_vec_fixed = fix(data_vec);  diff_sum = sum(data_vec == data_vec_fixed);  % all integer elements will cause the diff_sum be vector length   if(diff_sum < data_vec_len)    fprintf(1,'# ERROR, gen_rom_rtl(), input data_vec must be integer value\n');    return;  end  rom_file_dir_name = strcat(rom_file_dir, rom_file_name);  data_vec_fixed_2c =  data_vec_fixed + (2^rom_word_len) .* (data_vec_fixed < 0);  romNum        = 2^addr_word_len;  data_str_cell  = cell(data_vec_len, 1);  for(idx = 1:data_vec_len)   data_str_cell{idx} = Dec2BinStr(data_vec_fixed_2c(idx), rom_word_len);  end % for(idx = 1:data_vec_len)  if(romNum > data_vec_len)    for(idx = data_vec_len+1:romNum)     data_str_cell{idx} = Dec2BinStr(0, rom_word_len);    end  end  fid_rom_file = fopen(rom_file_dir_name, 'w');  if(fid_rom_file == -1)    errMsg = strcat('ERROR, gen_rom_rtl(), create file',rom_file_dir_name, ',failed');    fprintf(1, '%s\n', errMsg);    return;  end  % rom data print   % get rom module name  rom_name = rom_file_name;  len_rom_file_name = length(rom_file_name);  if(rom_name(len_rom_file_name-1:len_rom_file_name) == '.v')    rom_name(len_rom_file_name-1:len_rom_file_name) = [];  else    fprintf(1,'#WARNINIG, gen_rom_rtl(), rom_file_name may error, check it!\n');  end  fprintf(fid_rom_file,  ...  '// ************************************************************** //\n');  fprintf(fid_rom_file,  ...  '// FILE    : %s \n', rom_file_name);  fprintf(fid_rom_file,  ...  '// DSCP    : %s\n', description);  fprintf(fid_rom_file,  ...  '// ABOUT   : auto generated rom file by gen_rom_rtl.m\n');  fprintf(fid_rom_file,  ...  '// DATE    : %s \n',  datestr(now));  fprintf(fid_rom_file,  ...  '// ************************************************************** //\n');  % generate the crom module  fprintf(fid_rom_file, ...  '// module %s()\n', rom_name);  fprintf(fid_rom_file, ...  'module %s(\n', rom_name);  fprintf(fid_rom_file, ...  '  CLK    ,           // clock\n');  fprintf(fid_rom_file, ...  '  RA     ,           // read address\n');  fprintf(fid_rom_file, ...  '  RD     );          // read data\n');  fprintf(fid_rom_file, ...  'input          CLK;\n');  fprintf(fid_rom_file, ...  'input  [%-2d :0] RA;\n', addr_word_len-1);   fprintf(fid_rom_file, ...  'output [%-2d :0] RD;\n', rom_word_len-1);  fprintf(fid_rom_file, ...  'reg    [%-2d :0] RD;\n', rom_word_len-1);  fprintf(fid_rom_file, ...  'always @ (posedge CLK)\n');   fprintf(fid_rom_file, ...  '  case(RA)\n');  for addr = 0:1:data_vec_len-1    fprintf(fid_rom_file, ...   '     %-2d''d %-6d:RD = #1 %-2d''b %s; ', ...      addr_word_len,addr, rom_word_len, data_str_cell{addr+1});    fprintf(fid_rom_file, ...   '// %6d 0x%s \n', ...      data_vec_fixed(addr+1), dec2hex(data_vec_fixed_2c(addr+1)));  end  fprintf(fid_rom_file, ...  '  default : RD = #1 0;\n');  fprintf(fid_rom_file, ...  '  endcase\n');  fprintf(fid_rom_file, ...  'endmodule \n');  fclose(fid_rom_file);  fprintf(1,'# File: %s written\n', rom_file_dir_name);end % function gen_rom_rtl() % ////////////////////////////////////////////////////////////////////function str = Dec2BinStr(data, word_len)  str = '';  for(idx = word_len-1:-1:0)    bit_val = bitand(1, bitshift(data, -idx));    str = strcat(str, int2str(bit_val));  endend % function Dec2BinStr()

3M正弦波频谱分析代码：

clear;%%选频3MHz,不补零，原数据f_3M%调用f_3M文件signal=transpose(ROMOUT); %矩阵转置：将列矩阵转置成行矩阵fs=50E6; %采样频率N=1024;  %采样点数t=[0:1/fs:(N-1)/fs]; %采样时刻figure(1);subplot(2,2,1);plot(t,signal);title({'3M-未补零-原数据长度 ';'时域波形图'});xlabel('Time (s)');ylabel('Magnitude');Y = fft(signal,N); %做FFT变换Ayy = abs(Y); %取模Ayy=Ayy/(N/2); %换算成实际的幅度Ayy(1)=Ayy(1)/2;F=([1:N]-1)*fs/N; %换算成实际的频率值，Fn=(n-1)*Fs/Nfigure(1);subplot(2,2,3);stem(F(1:N/2),Ayy(1:N/2)); %显示换算后的FFT模值结果axis([0 5E6 0 2500]);title('幅度-频率曲线图');xlabel('Frequency (Hz)');ylabel('Magnitude');%%选频3MHz,不补零，半数数据f_3M_test %调用f_3M_test文件signal=transpose(ROMOUT); %矩阵转置：将列矩阵转置成行矩阵fs=50E6; %采样频率N=512;  %采样点数t=[0:1/fs:(N-1)/fs]; %采样时刻figure(1);subplot(2,2,2);plot(t,signal);title({'3M-未补零-半原数据长度';'时域波形图'});xlabel('Time (s)');ylabel('Magnitude');Y = fft(signal,N); %做FFT变换Ayy = abs(Y); %取模Ayy=Ayy/(N/2); %换算成实际的幅度Ayy(1)=Ayy(1)/2;F=([1:N]-1)*fs/N; %换算成实际的频率值，Fn=(n-1)*Fs/Nfigure(1);subplot(2,2,4);stem(F(1:N/2),Ayy(1:N/2)); %显示换算后的FFT模值结果axis([0 5E6 0 2500]);title('幅度-频率曲线图');xlabel('Frequency (Hz)');ylabel('Magnitude');%%选频3MHz,补零，原数据f_3M; %调用f_3M文件signal=transpose(ROMOUT); %矩阵转置：将列矩阵转置成行矩阵b=zeros(1,1024);signal=[b,signal,b]; %补零，改善频谱fs=50E6; %采样频率N=1024*3;  %采样点数Nv=1024; %有效采样点数t=[0:1/fs:(N-1)/fs]; %采样时刻figure(2);subplot(2,2,1);plot(t,signal);title({'3M-补零-原数据长度';'时域波形图'});xlabel('Time (s)');ylabel('Magnitude');Y = fft(signal,N); %做FFT变换Ayy = abs(Y); %取模Ayy=Ayy/(Nv/2); %换算成实际的幅度Ayy(1)=Ayy(1)/2;F=([1:N]-1)*fs/N; %换算成实际的频率值，Fn=(n-1)*Fs/Nfigure(2);subplot(2,2,3);stem(F(1:N/2),Ayy(1:N/2)); %显示换算后的FFT模值结果axis([0 5E6 0 2500]);title('幅度-频率曲线图');xlabel('Frequency (Hz)');ylabel('Magnitude');%%选频3MHz,补零，半数数据f_3M_test; %调用f_3M_test文件signal=transpose(ROMOUT); %矩阵转置：将列矩阵转置成行矩阵b=zeros(1,512);signal=[b,signal,b]; %补零，改善频谱fs=50E6; %采样频率N=512*3;  %采样点数Nv=512; %有效采样点数t=[0:1/fs:(N-1)/fs]; %采样时刻figure(2);subplot(2,2,2);plot(t,signal);title({'3M-补零-半数据长度';'时域波形图'});xlabel('Time (s)');ylabel('Magnitude');Y = fft(signal,N); %做FFT变换Ayy = abs(Y); %取模Ayy=Ayy/(Nv/2); %换算成实际的幅度Ayy(1)=Ayy(1)/2;F=([1:N]-1)*fs/N; %换算成实际的频率值，Fn=(n-1)*Fs/Nfigure(2);subplot(2,2,4);stem(F(1:N/2),Ayy(1:N/2)); %显示换算后的FFT模值结果axis([0 5E6 0 2500]);title('幅度-频率曲线图');xlabel('Frequency (Hz)');ylabel('Magnitude');

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