FPGA实验1：DDS IP 数字波形合成

1. 实验内容

使用 Vivado的IPI工具，例化DDS IP；
DDS需要能够配置频率字（相位增量）；
DDS工作时钟使用PL的板载50MHz时钟；
使用ILA工具观察波形，使用VIO设定频率字；
在ILA的波形窗口里，观察你设定的波形的周期，验证你频率字设定的正确性；
把ILA波形导出到CSV文件，波形样点长度不小于2048点，在Matlab里分析波形的频谱，验证你生成波形的正确性；
使用VIO更改频率字，分别生成1MHz和3MHz的正弦波形。使用以上流程，验证你输出波形的正确性。

2. 实验背景知识

2.1. DDS的概念

DDS（Direct Digital Synthesis）：直接数字频率合成技术，是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术，通过控制相位的变化速度，直接产生各种不同频率、不同波形信号的一种频率合成方法。

2.2. DDS系统结构

DDS系统主要由相位累加器、波形存储器、数模(D/A)转换器和低通滤波器等四个大的结构组成，其结构框图如下图所示。

图中，参考频率为固定值；频率控制字k，用来调整输出信号的频率；相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器构成，它根据频率控制字k，完成相位值的累加，并将此累加值输入到波形存储器中；波形存储器将相位累积器的值作为当地址，查找与相位值对应的信号数据，输出到D/A转换器；D/A转换器，将波形存储器输出的数字量转换为与之对应的模拟量；由于D/A转换器存在量化误差，输出波形中存在混叠，需要在输出端使用低通滤波器进行滤波，提高信号的输出性能。
DDS输出波形精度
DDS原理输出波形的精度与DAC分辨率、波形细分、输出滤波电路性能密切相关。
DAC分辨率：DAC将数字量转换为模拟量，在转换过程中存在量化误差，如图5所示。量化误差代表着波形在幅值上对要求波形的接近程度，DAC位数越多，即分辨率越高，DAC生成的信号越接近与所要求的模拟值。
波形细分：波形细分精度影响着波形形状的精度，对于一个波形来说，采样间隔越小，采样点数越多，越能够获得关于波形更多的信息。同理，DDS的波形数据的细分精度越高、点数越多，生成的波形效果越好。
输出滤波电路： DAC输出会存在混叠噪声，为了提高输出的性能需要使用滤波电路滤除掉其中的高频噪声，提高输出精度。

2.3. vio的使用

使用场景：在使用In system debug时需要使用按键触发查看相关信号，但不想用板子上的按键。
VIO：Virtual input output，即虚拟IO。
主要用作虚拟IO使用；VIO的输出可以控制模块的输入，VIO的输入可以显示模块的输出值。

连接如下图：

3. 实验步骤

1. 使用vivado的IP Catalog工具，配置DDS，ILA，VIO参数

DDS参数配置：

Output中的Polarity取消勾选Negative Sine（默认是勾选的）。这个勾选上的话输出的数值极性相反。

VIO参数配置：

位数为2，说明可以控制四种频率控制字，得到四种不同频率的正弦波。

ILA参数配置：

波形样点数为4096

一个时钟输入clk，其他三个输入分别为：
probe0：连接VIO按键控制频率控制字（key_PINC）
probe1：连接频率字（Fword）
probe2：连接输出正弦波形

2. 设计顶层（top）模块和按键控制频率控制字（Fword_set）模块，例化DDS，ILA，VIO，并将它们的接口对应连接起来。

程序结构：

顶层（top）模块：

`timescale 1ns / 1psmodule top(input           sys_clk         ,//系统时钟  50MHz  T=20nsinput           sys_rst_n           //系统复位  );// -----------0、VIO按键控制频率控制字（key_PINC）wire [1:0] key_PINC;vio_0 vio_0 (.clk(sys_clk),                // input wire clk.probe_out0(key_PINC)  // output wire [1 : 0] probe_out0);//---------------1、信号频率控制模块--------------//
wire  [23:0]   Fword ;  //频率字
Fword_set Fword_set(//input.clk        (sys_clk            ),.rst_n      (sys_rst_n              ),.key_PINC   (key_PINC           ),//output.Fword      (Fword              ));//---------------2、DDS模块--------------//
//input
wire [0:0]   fre_ctrl_word_en  ;    //output
wire [0:0]   dds_m_axis_data_tvalid    ;
wire [7:0]   dds_m_axis_data_tdata     ;
wire [0:0]   dds_m_axis_phase_tvalid   ;
wire [23:0]  dds_m_axis_phase_tdata    ;assign fre_ctrl_word_en=1'b1;//例化DDS IP
dds_compiler_0 dds_compiler_0 (.aclk                 (sys_clk                ),    // input wire aclk.s_axis_config_tvalid (fre_ctrl_word_en       ),    // input wire s_axis_config_tvalid.s_axis_config_tdata  (Fword                  ),    // input wire [23: 0] s_axis_config_tdata.m_axis_data_tvalid   (dds_m_axis_data_tvalid     ),    // output wire m_axis_data_tvalid.m_axis_data_tdata    (dds_m_axis_data_tdata      ),    // output wire [15 : 0] m_axis_data_tdata.m_axis_phase_tvalid  (dds_m_axis_phase_tvalid    ),    // output wire m_axis_phase_tvalid.m_axis_phase_tdata   (dds_m_axis_phase_tdata     )     // output wire [23 : 0] m_axis_phase_tdata
); //例化ILA IP
ila_0 ila_0 (.clk(sys_clk), // input wire clk.probe0(key_PINC), // input wire [1:0].probe1(Fword), // input wire [23:0].probe2(dds_m_axis_data_tdata) // input wire [7:0] );   endmodule

按键控制频率控制字（Fword_set）模块：

`timescale 1ns / 1ps
//
// 通过按键来选择对应的频率控制字，进而选择对应的信号频率
//
module Fword_set(input               clk         ,input               rst_n       ,input  [1:0]        key_PINC    ,output reg [23:0]   Fword);//always@(posedge clk or negedge rst_n)
//begin
//    if(!rst_n)
//        key_sel <= 4'd0;
//    else
//        key_sel <= key_sel;
//end//  The output frequency(f_out ) , of the DDS waveform is a function of the system clock frequency(f_clk ) .
//  the phase width, that is, number of bits (B )  in the phase accumulator
//  and the phase increment value (deta_theta) .
//  The output frequency in Hertz is defined by:f_out=f_clk*deta_theta/(2^B)
//  fre_ctrl_word是如何确定的？
// 根据IP核的summery， phase width=20bits   Frequency per channel=100MHz
// 输出频率的计算公式f_out=f_clk*deta_theta/(2^B)=100M* 104857/(2^20 )= 10M
always@(*)
begincase(key_PINC)0:  Fword <= 'h28f5;     //1Mhz  10485  每次相位增加的值  deta_theta1:  Fword <= 'h51eb;     //2Mhz  209712:  Fword <= 'h7ae1;     //3Mhz  314573:  Fword <= 'ha3d7;     //4Mhz  41943endcase
end
endmodule

输出频率的计算公式：
fout=fclk∗△θ(2B)，fclk：工作时钟△θ：相位增量，B：phasewidthf_{out}=\frac{f_{clk}*\bigtriangleup \theta}{(2^B)}，f_{clk}：工作时钟 \bigtriangleup \theta ：相位增量，B：phase widthfout=(2B)fclk∗△θ，fclk：工作时钟△θ：相位增量，B：phasewidth
例如：fout=50M∗10485219=1M，220=10M=104857f_{out}=\frac{50M* 10485}{2^{19}} = 1M，2^{20}=10M=104857fout=21950M∗10485=1M，220=10M=104857

约束文件：

set_property PACKAGE_PIN U18 [get_ports sys_clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_clk]
set_property PACKAGE_PIN N15 [get_ports sys_rst_n]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_rst_n]
#时序约束
create_clock -period 20.000 -name sys_clk -waveform {0.000 10.000} [get_ports sys_clk]

3. RTL图

4. 生成bitstream，利用VIO控制频率控制字，利用ILA观察生成的波形。

1Mhz正弦波：
key_PINC=0

观察波形时要将 Waveform Style 设置为 Analog（模拟），Radix 设置为 Signed Decimal（有符号十进制）。
通过这步，可以看出DDS产生的是有符号数据，范围为[-128,127]。

3Mhz正弦波：
key_PINC=2

5. 把ILA波形导出到CSV文件，在Matlab里分析波形的频谱，验证生成波形的正确性。

导出csv文件，并将导出的csv文件拖入matlab工作区中导入数据

新建脚本，输入如下代码：

m_axis_data_tdata150 = iladata1Mhz{:,6}; %取出数据
SampleinWindow = iladata1Mhz{:,2};
fs=50000000;    %采样频率50Mhz
N=4096;         %采样点数
n=0:N-1;
t=n/fs;         %时间序列
f=n*fs/N;       %频率序列
figure;
subplot(2,1,1)
plot(t,m_axis_data_tdata150);    %时域波形
title('时域波形');xlabel('时间/s');ylabel('幅值');
y=abs(fft(m_axis_data_tdata150,N));
subplot(2,1,2)
plot(f,y);     %频域波形
title('频域波形');xlabel('频率/hz');ylabel('幅值');

1Mhz时域和频域波形：

频域波形中有两个明显的尖峰，第一个尖峰位于1Mhz，第二个尖峰位于49Mhz（共轭对称特性）。从波形中可验证输出波形频率为1Mhz。
时域波形也可验证可验证输出波形频率为1Mhz：从时域波形中可看出输出的正弦波总共有82个周期，由采样频率和采样点数可推算出总的采样时间 :
t=409650M=8.192×10−5t=\frac{4096}{50M}=8.192\times10^{-5}t=50M4096=8.192×10−5
所以一个周期占用的时间即输出频率fout=828.192×10−5=1Mhzf_{out}=\frac{82}{8.192\times10^{-5}}=1Mhzfout=8.192×10−582=1Mhz

3Mhz时域和频域波形：

同理，从频域波形中可验证输出波形频率为3Mhz。

参考资料：

[1] CSDN：https://blog.csdn.net/weixin_43358703/article/details/103492234
[2] CSDN：https://www.cnblogs.com/kingstacker/p/9810704.html
[3] 官方手册：pg141-dds-compiler.pdf
[4] CSDN：https://blog.csdn.net/qq_34070723/article/details/91549184