用FPGA产生正弦信号

正弦信号，是一个模拟信号。而FPGA只能产生数字信号。因此需要用DA将数字量转化为模拟量。这里采用modelsim的模拟波形显示，就不需要DA模块了。产生正弦信号的方法有很多，这里用的是查找rom的方法，产生正弦信号。

正弦信号，是一个介于-1和1之间的模拟量。而正弦信号是周期变化的，因此这里只需要将半个正弦信号周期的值存进rom里，其余周期可以根据这个半个周期的值变化可得到。用matlab产生正弦信号的值。以0.01为步长，从0采集到pi/2。共158个点。

因此sin的值是小数，而FPGA是不能表示小数的，因此需要将小数扩大，以整数来表示。此次是以12位二进制来显示这整数。扩大的方法就是乘以2^{12即可了。12位二进制数最大能表示2}12-1的值。这里用0表示最小值0,2^{12-1表示最大值1，则0到1中间的数，就可以扩大到用0到2}12-1中间的数来表示了。例如，0.3，就可用整数0.3*2^12=1228.8，在向上取整，为1228，当然这样表示会有误差。

这里rom用的是ISE的IP rom。将matlab生成的数据放进rom里面。然后依次读取rom的值，即可生成正弦信号了。

首先是生成rom的初始化文件。Xilinx的rom的初始化文件的后缀为.coe。而这个特殊文件有固定的格式。

第一行的10表示下面的数字是10进制的。。。后面的数据是依次存入rom的值，以逗号分开，最后一个以分号结束。前面两行的内容是固定的。

生成初始化文件的matlab如下所示：

fid = fopen(‘sin_rom.txt’,‘w’);
fprintf(fid,‘MEMORY_INITIALIZATION_RADIX = 10;\n’);
fprintf(fid,‘MEMORY_INITIALIZATION_VECTOR =\n’);
for i = 0:1:pi/2*100
y = sin(i/100);
rom =floor( y * 2^12);
if i == 157
fprintf(fid,’%d;’,rom);
else
fprintf(fid,’%d,’,rom);
end

if mod(i,10)==0 && i ~= 0fprintf(fid,'\n');
end

end
fclose(fid);
生成的文件是.txt文件。将后缀直接改为.coe即可。然后复制到ISE分工程目录下。

初始化文件生成后，剩下就是编写verilog代码。

首先建一个工程，然后新建一个IP。找到rom，打开。设置按如下设置：

这里是设置位宽，采用的是13位（第一位为符号位，后面12位为数据位）来显示sin的值。因此这里是设置为13.深度是因为要存158个值，所以这里设置为158.

这里将刚刚生成的.coe文件载入，如果没有显示红色，就说明正确，否则错误。错误的原因是数据和设定的深度没有对齐。

接下来直接生成就行了。

接着就是编写verilog代码了。

首次查看用ip生成的rom的HDL例化代码.

sin_rom your_instance_name (
.clka(clka), // input clka
.addra(addra), // input [7 : 0] addra
.douta(douta) // output [12 : 0] douta
);
从上面的程序可看出，只需要给时钟信号，和输入地址，就可以了。输出的就是正弦的数字信号了。分析正弦信号，前1/4个周期，地址从0自加，一直加到157（1/4个周期的点数）。然后再自减，减到0。然后进入到负半周了。大家都知道，负数的表示是以二进制的补码来表示的，即绝对值数的二进制取反在加一。

因此要编写地址自加自减的代码，然后再根据地址的值，判断输出的值是正数，还是负数，负数的话，rom的输出值还要取反加一后再输出。

其代码，如下所示：

module sin_top(
input clk, //输入时钟信号
input [9:0] address, //输入地址信号
output reg [12:0] data_out //输出sin的数字值
);

reg [7:0] add;
wire [12:0] douta;
// 以下是判断地址的值
always@ * begin
if( address <= 157 )
add = address;
else if( address <= 315 )
add = 10’d315 - address;
else if( address <= 473 )
add = address - 10’d316;
else if( address <= 631 )
add = 10’d631 - address;
else
add = 0;
end

//例化之前生成的sin_rom
sin_rom u1_sin_rom (
.clka(clk), // input clka
.addra(add), // input [7 : 0] addra
.douta(douta) // output [12 : 0] douta
);
// 判断输出值是正数还是负数。
always@ * begin
if( address <= 315 )
data_out = douta;
else if( address <= 631 )
data_out = ~douta + 1’b1;
else
data_out = 0;
end
endmodule
程序写好了，剩下就是要仿真了。仿真的testbench，只需要输入时钟和地址信号就可以了。地址信号一直加一，直到不小于631，刚好一个周期结束。就返回0值，在继续自加。

测试代码如下所示：

module sin_top_test;
// Inputs
reg clk;
reg [9:0] address;

   // Outputswire [12:0] data_out;// Instantiate the Unit Under Test (UUT)sin_top uut (.clk(clk),.address(address),.data_out(data_out));always#5  clk = ~clk;initial begin// Initialize Inputsclk = 0;address = 0;// Wait 100 ns for global reset to finishwhile(1)   begin@(negedge(clk));if( address < 631 )address = address + 1;elseaddress = 0;end               end

endmodule
接着用modelsim仿真。因为有用到xilinx的IP ROM。因此用modelsim单独仿真比较麻烦。因此这里是直接在ISE里面调用modelsim，这样比较简单。

只需在设置器件这里将仿真器设置为modelsim就可以了。

然后就可以直接仿真了。

在modelsim里面

将out的format的格式改为analog。这样一会显示的波形就会以模拟的形式显示了。

仿真后，标准的正弦波形就出来了。是不是很酷啊。。哈哈哈

这里采用的modelsim仿真，而不是用的是ISE自带的仿真，因为ISE的波形不能以模拟波形显示。

这样产生的正弦波，方法比较简单，但是不能调节，调节的话，就要重新生成rom的值。而且还伴随着误差。可以增大位数，和减小采样间隔时间来减小误差。

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原文首发于骏的世界博客
作者：卢骏.

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