【FPGA】 十二、Vivado DDS IP核实现扫频信号

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前言

在我前面的工程中，都是一些比较通用的设计工程，没有用到哪一家的IP核，所以代码具有很好的移植性；今天我就来讲一下基于Xilinx厂家的芯片做一期DDS的设计与验证，这里我所采用的EDA工具是Vivado 2018.3，里面集成了DDS的IP核，我们直接进行调用即可。

    Xilinx公司是FPGA的主要生产商，即使在现在的FPGA领域它都有着很大的话语权，目前市面上的FPGA芯片主要有Xilinx和Altera两家，其中Xilinx占据主导地位，其产品在各个方面的应用更是炉火纯青。我们都知道FPGA的优点是基于它的可编程性，使得其开发周期短，但为了提升FPGA开发的周期性，各家都提供了一些通用功能的IP核，包括固化在芯片内的硬IP核和可编程调用的软IP核，并在开发工具中提供了IP和的实例化和调用功能，下面我就在Vivado中调用DDS IP核来进行设计。 

一、DDS IP核概述

     上图是DDS IP核的方案图，从图中我们可以看到DDS IP核主要由5部分组成，其中DDS IP核的核心是相位累加器和LUT查找表，它们可以独立使用，也可与一个可选的相位发生器一起使用。相位累加器实现查找表地址的产生，LUT查找表用来存储输出波形。还有泰勒级数矫正模块和抖动产生器，用来改善SFDR。最两边是AXI4接口，是基于AXI4总线协议的接口模块，用来实现相位累加字配置，多通道配置以及相位累加器输出和sin/cos波形输出。

二、DDS IP核配置

1、首先创建一个工程文件，然后点击IP Catalog，直接在搜索框中搜索DDS，创建DDS IP核。

2、 然后双击DDS Compiler，进行DDS IP核的配置界面。

     DDS IP核可以配置成三种模式，分别是相位累加器和SIN/COS LUT模式、仅相位产生器模式、仅SIN/COS LUT模式；这里我们选择第一种相位累加器和SIN/COS LUT模式。

    输入时钟：根据系统时钟定，我这里选择100MHz

    通道数：我这里选择单通道

    参数选择有系统参数（System Parameter）和硬件参数（Hardware Parameter）两种，当选择系统参数时，需要根据频率位宽来计算SFDR和FR(频率控制字）；当选择硬件参数时，直接定义输出的相位宽度和频率宽度即可，我这里选择硬件参数，相位位宽是32位，频率位宽是8位。

    根据Xilinx官方手册，phase width(相位位宽)，Frequency Resolution(频率分辨率)，channels(通道数)，output width(输出波形位宽)，SFDR之间的对于关系为：

     关于output width的位宽不同，输出的数据格式如下：

3、进入第二页配置界面，配置频率控制字、相位控制字和输出波形。

     由于在本次实验中需要连续输出不同的频率信号，达到一个扫频的目的，所以这里将频率可控制字和相位控制字都设置为可编程模式，输出的波形为正余弦波形。如果你想输出固定频率的波形，就可以选择锁定模式。这个根据实验要求进行更改即可。

4、第三页和第四页本次实验没有要求，保持默认即可。在第四页，由于频率控制字是可编程的，在代码中会进行改变，这里就不用做任何处理。

5、第5页就是配置的总览界面了，在这里你可以看到你所配置的信息，方便查看配置是否有问题。

6、最后点击OK就生成DDS IP核了，然后就将DDS IP核例化到我们所设计的工程当中，就可以直接使用了。

三、调用DDS IP核

    调用DDS IP核实现扫频信号，我这里设计的扫频范围是1KHz--10KHz，通过控制频率控制字来更改输出的波形的频率，让其在1KHz到10KHz直接变化，又让其从10KHz变化到1KHz，展现在频域中是三角波的形式。

1、顶层模块

`timescale 1ns / 1ps
//
// 
// Create Date: 2023/03/16 09:54:38
// Design Name: 卡夫卡与海
// Module Name: DDS_top
// Project Name: DDS顶层模块
//
// 
//

module DDS_top(
    input            sys_clk       ,//系统时钟   100MHz
    input            sys_rst_n     ,//系统复位
    
    output           m_data_tvalid ,//数据有效标志
    output   [7:0]   m_data_sin    ,//sin波形
    output   [7:0]   m_data_cos     //cos波形
);

//中间信号定义
wire           s_phase_tvalid  ;//相位有效标志
wire   [31:0]  s_phase_tdata   ;//相位控制字

wire           s_config_tvalid ;//频率有效标志
wire   [31:0]  s_config_tdata  ;//频率控制字

wire           m_phase_tvalid  ;//输出相位有效标志
wire   [31:0]  m_phase_tdata   ;//输出相位

wire   [15:0]  m_data_tdata    ;//输出为16位，高8位是sin波形，低8位是cos波形
//assign m_data_sin = m_data_tdata[15:8];
//assign m_data_cos = m_data_tdata[7:0];

assign m_data_sin = {~m_data_tdata[15],m_data_tdata[14:8]};//将输出转为有符号数据输出  sin
assign m_data_cos = {~m_data_tdata[7],m_data_tdata[6:0]}  ;//将输出转为有符号数据输出  cos

//模块例化
//DDS_IP模块
dds_compiler_0 u_dds_0 (
  .aclk                    (sys_clk        ),// input wire aclk
  .s_axis_phase_tvalid     (s_phase_tvalid ),// input wire s_axis_phase_tvalid
  .s_axis_phase_tdata      (s_phase_tdata  ),// input wire [31 : 0] s_axis_phase_tdata
  .s_axis_config_tvalid    (s_config_tvalid),// input wire s_axis_config_tvalid
  .s_axis_config_tdata     (s_config_tdata ),// input wire [31 : 0] s_axis_config_tdata
  .m_axis_data_tvalid      (m_data_tvalid  ),// output wire m_axis_data_tvalid
  .m_axis_data_tdata       (m_data_tdata   ),// output wire [15 : 0] m_axis_data_tdata
  .m_axis_phase_tvalid     (m_phase_tvalid ),// output wire m_axis_phase_tvalid
  .m_axis_phase_tdata      (m_phase_tdata  ) // output wire [31 : 0] m_axis_phase_tdata
);

//控制模块
dds_control u_dds_control(
    .clk             (sys_clk        ),//时钟
    .rst_n           (sys_rst_n      ),//复位
    
    .phase_valid     (s_phase_tvalid ),//相位有效标志
    .phase_data      (s_phase_tdata  ),//相位控制字
    .config_valid    (s_config_tvalid),//频率有效标志
    .config_data     (s_config_tdata ) //频率控制字
);

endmodule

2、DDS IP核控制模块：控制频率控制字的变化

`timescale 1ns / 1ps
//
// 
// Create Date: 2023/03/16 10:26:29
// Design Name: 卡夫卡与海
// Module Name: dds_control
// Project Name: DDS控制模块
// 
// 
//

module dds_control(
    input             clk          ,//时钟
    input             rst_n        ,//复位
    
    output            phase_valid  ,//相位有效标志
    output   [31:0]   phase_data   ,//相位控制字
    output            config_valid ,//频率有效标志
    output   [31:0]   config_data   //频率控制字
);

//参数定义
parameter F_word_1KHz   = 32'hA7C5  ;//1KHz频率控制字 M = 1_000*2^32/100_000_000
parameter F_word_10KHz  = 32'h68DB8 ;//10KHz频率控制字 M = 10_000*2^32/100_000_000
parameter F_word_change = 32'h1     ;//1KHz-10KHz变化精度

//信号定义
reg    [31:0]    config_data_reg    ;//频率控制字寄存器

reg              max_flag           ;//当频率控制字最大时，拉高

//max_flag
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        max_flag <= 1'b0;
    end
    else if(config_data_reg >= F_word_10KHz)begin
        max_flag <= 1'b1;
    end
    else if(config_data_reg == F_word_1KHz)begin
        max_flag <= 1'b0;
    end
end

//控制频率控制字均匀变化
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        config_data_reg <= F_word_1KHz;
    end
    else if(max_flag == 1'b1)begin
        config_data_reg <= config_data_reg - F_word_change;
    end
    else begin
        config_data_reg <= config_data_reg + F_word_change;
    end
end

//输出
assign phase_valid = 1'b1;
assign phase_data = 32'h0;//设置相位控制字为0
assign config_valid = 1'b1;
assign config_data = config_data_reg;

endmodule

3、仿真模块

`timescale 1ns / 1ps
//
// 
// Create Date: 2023/03/16 14:04:09
// Design Name: 卡夫卡与海
// Module Name: DDS_top_tb
// 
// 
//

module DDS_top_tb();
reg            sys_clk       ;
reg            sys_rst_n     ;

wire           m_data_tvalid ;
wire   [7:0]   m_data_sin    ;
wire   [7:0]   m_data_cos    ;

//模块例化
 DDS_top u_DDS_top(
   .sys_clk         (sys_clk      ),//系统时钟   100MHz
   .sys_rst_n       (sys_rst_n    ),//系统复位
    
   .m_data_tvalid   (m_data_tvalid),//数据有效标志
   .m_data_sin      (m_data_sin   ),//sin波形
   .m_data_cos      (m_data_cos   ) //cos波形
);

//产生激励
initial begin
    sys_clk = 1'b0;
    sys_rst_n = 1'b0;
    #20;
    sys_rst_n = 1'b1;
    
    #20000000;
    $stop;
end

always #5 sys_clk = ~sys_clk;

endmodule

4、仿真波形如下：

    通过仿真波形，可以看到生成了一个连续变化的正弦波和余弦波，并且波形由慢到快再由快到慢，成周期性变化，满足设计要求。 

总结

    DDS IP核的配置还是比较简单的，在使用封装好的IP核时，不论是Xilinx的还是Altera的，看官方手册还是很重要的，只不过是纯英文的，但是可以提升我们的英文阅读能力嘛！当你阅读了很多IP核的手册过后，你就会发现那些手册的排版基本上都是差不多的，这样阅读起来也就没那么费劲了。