【FPGA基础学习】DDS信号发生器设计

一、IP核简介

IP核的定义与核心作用

定义
IP核是芯片设计中独立功能的成熟模块，例如处理器、存储器、接口协议等。它们以硬件描述语言（HDL）、网表或物理版图形式交付，供其他设计者直接调用，避免重复开发
核心作用
- 缩短设计周期：通过复用已验证的模块，减少从零开发的时间，加速产品上市
- 降低成本与风险：避免重复设计错误，降低研发投入和测试成本

IP的种类

IP核有行为(Behavior)级、结构(Structure)级和物理(Physical)级三个层次的分类，对应着三个种类型的IP核，它们是由硬件描述语言设计的软核(Soft IP Core)、完成结构描述的固核(Firm IP Core) 和基于物理描述并经过工艺验证的硬核(Hard IP Core)。

软核：它是用硬件描述语言(HDL)设计的独立功能的电路模块。从芯片设计程度来看，它只经过了RTL级设计优化和功能验证，通常是以HDL文本形式提交给用户。所以它不包含任何物理实现信息，因此，IP软核与制造工艺无关。软核相当于软件编程的库，比如Python调用一个四舍五入round(num,n) 函数一样。FPGA设计中也可以调用一个四舍五入的IP，这样就不用自己写代码了。

固核：它的设计程度介于IP软核和IP硬核之间，它除了完成IP软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节。一般地，它以门级电路网表的形式提供给用户。

硬核：它提供了电路设计最后阶段掩模级的电路模块。它以最终完成的布局布线网表形式提供给用户。IP硬核既具有结果的可预见性，也可以针对特定工艺或特定IP提供商进行功耗和尺寸的优化。

二、采用DDS设计制作波形发生器

1.DDS简介

DDS技术最初是作为频率合成技术提出的，由于其易于控制，相位连续，输出频率稳定度高，分辨率高, 频率转换速度快等优点，现在被广泛应用于任意波形发生器(AWG)。基于DDS技术的任意波形发生器用高速存储器作为查找表，通过高速D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形。所以它不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形，而且还可以利用各种编辑手段，产生传统函数发生器所不能产生的真正意义上的任意波形。

直接频率合成(Direct Dgital Sythesizer, DDS) 是种把-系列数字信号通过数字模拟转换器(igital to Analog Converter, DAC) 转换为模拟信号的新型频率合成技术。其优点有频率切换时间短，频率分析率高，输出信号的频率和相位可以快速切换，输出相位连续，并且很容易地实现信号频率、相位和幅度的控制。

2.DDS技术合成正弦波和方波

利用DDS技术合成正弦波和方波，很多EDA软件都需要.mif文件，比如使用Quartus 调用ROM IP核产生一个正弦波就需要对ROM IP核加载.mif文件，然后从.mif文件中读取数据产生正弦波

正弦波

1)利用matlab生成ROM初始化文件mif

% 参数设置
addr_width = 10;       % ROM地址位宽（1024点）
data_width = 8;        % 数据位宽（8位）
filename = 'sine_wave.mif'; % 输出文件名

% 生成正弦波数据
rom_depth = 2^addr_width;
t = linspace(0, 2*pi, rom_depth); % 0到2π的相位
sine_data = sin(t);               % 生成正弦波（范围[-1, 1]）

% 量化到8位无符号整数（0~255）
sine_data = round((sine_data + 1) * (2^(data_width-1) - 1));

% 写入mif文件
fid = fopen(filename, 'w');
fprintf(fid, 'WIDTH=%d;\n', data_width);
fprintf(fid, 'DEPTH=%d;\n', rom_depth);
fprintf(fid, 'ADDRESS_RADIX=HEX;\n');
fprintf(fid, 'DATA_RADIX=HEX;\n\n');
fprintf(fid, 'CONTENT BEGIN\n');

for addr = 0:rom_depth-1
    fprintf(fid, '  %04X : %02X;\n', addr, sine_data(addr+1));
end

fprintf(fid, 'END;\n');
fclose(fid);
disp('mif文件生成成功！');

在运行完上面一段代码后也就在同一文件夹下生成了一个sine_wave.mif文件如下图所示

设置模块LPM_ROM参数的具体步骤如下：

1)在QuartusPrime主界面选择Tool一IPCatalog命令，在查找框内输入ROM,IP核目录(IPCatalog)栏
中会列出相关的IP核，选择ROM:1-PORT并双击，弹出保存IP设置界面，输入文件名，并选中Verilog,单击OK按钮。

2)选择一个port，在路径后输入文件名称/rom_sine_wave.v，点击next

3).输入mif文件中宽度和深度，要匹配上(8、1024)

4).全不选择即可，next

5).点击browse，选择项目路径下mif文件，完成后点击next

6).默认next即可，点击finish

点击yes

7).完成后再文件中可以看到生成的rom_sine_wave.v文件

DDS模块设计

module dds_sine_wave (
    input clk,         // 系统时钟
    input reset,       // 复位
    input [31:0] fcw,  // 频率控制字（Frequency Control Word）
    output [7:0] wave_out // 正弦波输出
);

// 相位累加器（32位）
reg [31:0] phase_accumulator;

// 相位累加器更新
always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset)
        phase_accumulator <= 32'd0;
    else
        phase_accumulator <= phase_accumulator + fcw;
end

// 取高10位作为ROM地址（相位截断）
wire [9:0] rom_address = phase_accumulator[31:22];

// 实例化ROM
rom_sine_wave rom_inst (
    .address(rom_address),
    .clock(clk),
    .q(wave_out)
);

endmodule

Testbench仿真

`timescale 1ns/1ns

module tb_dds_sine_wave;

// 输入信号
reg clk;
reg reset;
reg [31:0] fcw;

// 输出信号
wire [7:0] wave_out;

// 例化DDS模块
dds_sine_wave uut (
    .clk(clk),
    .reset(reset),
    .fcw(fcw),
    .wave_out(wave_out)
);

// 时钟生成（50MHz）
initial begin
    clk = 0;
    forever #10 clk = ~clk; // 20ns周期 → 50MHz
end

// 仿真流程
initial begin
    // 初始化
    reset = 1;
    fcw = 32'h0000_0000; // 初始频率控制字
    #100;
    reset = 0;

    // 设置fcw生成1kHz正弦波（示例值）
    // Fout = (50e6 * fcw) / 2^32 → fcw = Fout * 2^32 / 50e6
    fcw = 32'h00A3D70A; // 对应约1kHz

    // 仿真运行（至少覆盖多个周期）
    #2000000; // 仿真2ms（观察2个完整周期）
    $stop;
end

endmodule

添加仿真文件：

然后一直ok到底

仿真效果

这里我遇到一个问题就是modesim只输出方波，我一开始以为是我代码的问题，后来才发现是，需要设置modesim的输出格式：

方波

1)利用matlab生成ROM初始化文件mif

% 参数设置
addr_width = 10;       % ROM地址位宽（1024点）
data_width = 8;        % 数据位宽（8位）
duty_cycle = 0.5;      % 占空比（50%）
filename = 'square_wave.mif'; % 输出文件名

% 生成方波数据
rom_depth = 2^addr_width;
high_value = 2^data_width - 1; % 最大值（8'hFF）
low_value = 0;
split_point = round(rom_depth * duty_cycle);

% 初始化ROM数据
rom_data = [high_value * ones(1, split_point), ...
            low_value * ones(1, rom_depth - split_point)];

% 写入mif文件
fid = fopen(filename, 'w');
fprintf(fid, 'WIDTH=%d;\n', data_width);
fprintf(fid, 'DEPTH=%d;\n', rom_depth);
fprintf(fid, 'ADDRESS_RADIX=HEX;\n');
fprintf(fid, 'DATA_RADIX=HEX;\n\n');
fprintf(fid, 'CONTENT BEGIN\n');

for addr = 0:rom_depth-1
    fprintf(fid, '  %04X : %02X;\n', addr, rom_data(addr+1));
end

fprintf(fid, 'END;\n');
fclose(fid);
disp('mif文件生成成功！');

后面的步骤与正弦波的操作相似

DDS模块设计（方波合成）

module dds_square_wave (
    input clk,         // 系统时钟
    input reset,       // 复位
    input [31:0] fcw,  // 频率控制字（Frequency Control Word）
    output [7:0] wave_out // 方波输出
);

// 相位累加器（32位）
reg [31:0] phase_accumulator;

// 相位累加器更新
always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset)
        phase_accumulator <= 32'd0;
    else
        phase_accumulator <= phase_accumulator + fcw;
end

// 取高10位作为ROM地址
wire [9:0] rom_address = phase_accumulator[31:22];

// 实例化ROM
rom_square_wave rom_inst (
    .address(rom_address),
    .clock(clk),
    .q(wave_out)
);

endmodule

编写Testbench

`timescale 1ns/1ns

module tb_dds_square_wave;

// 输入信号
reg clk;
reg reset;
reg [31:0] fcw;

// 输出信号
wire [7:0] wave_out;

// 例化DDS模块
dds_square_wave uut (
    .clk(clk),
    .reset(reset),
    .fcw(fcw),
    .wave_out(wave_out)
);

// 时钟生成（50MHz）
initial begin
    clk = 0;
    forever #10 clk = ~clk; // 20ns周期 → 50MHz
end

// 仿真流程
initial begin
    // 初始化
    reset = 1;
    fcw = 32'h0000_0000; // 初始频率控制字
    #100;
    reset = 0;

    // 设置fcw生成1kHz方波（示例值）
    // Fout = (50e6 * fcw) / 2^32 → fcw = Fout * 2^32 / 50e6
    fcw = 32'h00A3D70A; // 对应约1kHz

    // 仿真运行
    #200000; // 仿真200us（观察多个周期）
    $stop;
end

endmodule

添加仿真文件：