FPGA进行数字信号处理通过DAC转化为波形的初步理解

本思路是借鉴大佬的思路加上个人的一些总结进行汇总，由于是初学如有不足之处望各位大佬指正

FPGA是数字电路，怎么产生模拟的波形呢？如果单纯的使用FPGA是无论如何也产生不了连续不断的波形，一般都是使用FPGA产生数字信号，再利用DAC（Digital-to-Analog Converter）转化成为模拟的波形（如图1）。DAC芯片是一堆模拟电路的东西了，如果感兴趣的小伙伴可以在自己学习一下数字信号转化为模拟信号的过程。

　DDS的实现一般都是由频率控制器、相位累加器和波形存储器构成

我们直接从最终的输出开始分析，要输出的一个波形（数字意义上），例如正弦波。那么怎么输出呢，可以给出一个公式sin（2*pi*n/256），将n从0增长到255，就可以输出一个波形。如果这么写的话，就已经把一个周期分成了256份，也可以分成任意份，为了方便数字电路设计，一般都是2的整数次幂份。以下分析都当作一个周期分为256份。n等于一个数值就会输出一个值，把n所对应的位置看作是相位。例如n等于128时，输出的值正好对应于相位pi时。在FPGA中去计算sin，一般都是利用查表法，也就是说将一个周期分为N份，当输入的值比较接近与某一个相位时，就把这个相位点的值输出。那其实也就是把波形等分多份，存储在存储器中，而此时存储器就叫做波形存储器。存储器的输出是按照输入地址来决定的，如果想要输出一个完整的不断的波形，就需要地址从最小到最大不断循环，而存储器就会不断的输出波形。地址从最小到最大的累加，就被成为相位累加器。如果相位累加器1S从最小到最大循环了1000次，那么输出的波形的频率就为1KHz。故而相位累加器累加的速度决定输出波形的频率，而累加速度是由外部控制器来决定，所以此控制器被称作频率控制器。

首先如果想产生一个波形就需要一个储存的地方即（波形存储器）由于笔者的板子是小脚丫的MAX10 所以选择利用Quartus进行波形产生。在FPGA中有很多存储器资源可以来用，在此选择ROM来当作存储器。利用ROM当存储需要制作初始化文件.mif或者.hex，这两种都可以，在这里采用.mif文件。

.mif在Quartus 中显示为一个一个小区域

但是其实就是一种文件格式

此处可利用

某些计算工具将数值计算出来，然后填入表格中，这种速度太慢，也太麻烦。我们一般采用下面所述的方法：

利用mifmaker软件生成，此软件用起来比较简单。只需要简单的设置“设定波形”即可。在设定成功后，点击“文件->保存”即可生成对应的.mif文件。

当然如果你是matlab的大佬也可以使用matlab进行处理

产生了.mif后，就可以加载到ROM中。在quartus工程中，采用50MHz的时钟来进行驱动整个设计，让rom的地址每个时钟周期增加1。经过仿真可以得到正弦波。

产生了正弦波，在设置modelsim时，因为波形是按照无符号生成的数据，所以在设置成为模拟之前要先把进制改为无符号类型。即可产生图波形。经过使用modelsim工具测试，产生的波形的频率为195.313KHz。我们自己也算以下：系统的驱动时钟为50MHz，由f=1/T 得到一个周期为20ns，256个周期输出一个完整的波形。所以波形的周期为256x20ns=5120ns，经过计算频率为195.3125KHz，与上述使用modelsim工具测试结果一直，只是modelsim测试保留了频率的两位小数而已。

　　相位累加器每次累加1，产生的波形的频率为195.313KHz，那么只要改变每次累加的数字就可以得到其他频率。如果每次增加的是整数比较好办，那如果每次增加的是带有小数呢？又该如何实现呢？

　笔者水平有限，如有不妥之处，恳请大佬指出。

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