【至简设计案例系列】波形相位频率可调DDS信号发生器

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1.1 总体设计

1.1.1 概述

学习了明德扬至简设计法和明德扬设计规范，本人设计了一个基于FPGA的可调频调相而且可以输出不同波形的DDS信号发生器。该信号发生器实现了通过按键控制输出不同类型的波形，并可以通过按键改变波形频率和初始相位。将此设计与明德扬的波形采集设计相结合，可以实现示波器功能，并且还可拓展实现波形频率计算、峰峰值计算、频谱分析等功能，有很大的设计空间。同时本设计以及其扩展功能在现实生活中也具有比较广泛的应用。在本案例的设计过程中，包含了按键定义和消抖、计数器、ROMIP的应用等技术。经过逐步改进、调试等一系列操作之后，完成了此设计，下面将完整的设计记录与大家分享。

1.1.2 设计目标

此设计可以通过按键进行波形类型的切换，并且波形的频率还可以进行改变，具体需求如下：

1）按键1按下时可以改变波形的类型，实现波形的切换，顺序为正弦波、锯齿波、三角波；

2）按键2按下时可以改变波形的频率，每按下一次，频率增大2倍，达到一定值后跳回初始频率值，以此循环；

3）按键3按下时可以改变波形的初始相位，每按下一次，初始相位加30，达到一定值后跳回初始相位值，以此循环。

1.1.3 系统结构框图

系统结构框图如下所示：

1.1.4 模块功能

按键模块实现功能
将外来异步信号打两拍处理，将异步信号同步化；

实现20ms按键消抖功能，并输出有效按键信号。

DDS模块实现功能
通过有效按键信号实现切换波形类型、改变波形频率、调整波形初始相位；

从ROM中读取波形数据并输出按键控制下的波形数据。

1.1.5 信号定义

顶层模块mdy_DDS.v

信号	定义
clk	系统时钟
rst_n	低电平复位信号
key_in	按键输入
dadata	波形数据

按键模块key_delay.v

信号	定义
clk	系统时钟
rst_n	低电平复位信号
key_in	按键输入
key_done	有效按键

DDS模块DDS.v

信号	定义
clk	系统时钟
rst_n	低电平复位信号
key_done	有效按键
dadata	波形数据
i	频率控制字
phase	相位控制字

1.1.6 工作原理

在系统整体结构中，通过按键控制输出波形类型，并通过按键改变波形频率控制字和初始相位控制字，得到ROM的读地址。ROM为只读存储器，只要给它一个地址，就能读出该地址中相应的数据，从已经初始化好的ROM读取相应的波形数据。

DDS的原理如下图，累加器每次累加一个频率控制字，调节频率控制字的数值，可以改变累加器的累加速度，进而可以调节从ROM查找表中读取波形数据的速度。即频率控制字越大，频率越高。相位控制字可以用来调节初始相位，即ROM地址自加的初始值。

1.2 按键电路

1.2.1 按键电路

独立式按键工作原理如上图所示，4条输入线接到FPGA的IO口上，当按键K1按下时，VCC通过电阻R1再通过按键K1最终进入GND形成一条通路，这条线路的全部电压都加在R1上，则引脚P14是低电平。当松开按键后，线路断开，就不会有电流通过，P14和VCC就应该是等电位，为高电平。我们可以通过P14这个IO口的高低电平状态来判断是否有按键按下。其它按键原理与K1一致。

从图中可以看出，如果我们按下按键，那么按键就会接通并连接到低电平GND，如果我们没有按下，那么按键就会断开并接到VCC，因此按键为低电平有效。通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开或者闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械式按键在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如果不进行处理，会使系统识别到抖动信号而进行不必要的反应，导致模块功能不正常，为了避免这种现象的产生，需要进行按键消抖的操作。

   1.2.2 按键消抖

   按键消抖主要分为硬件消抖和软件消抖。两个“与非”门构成一个RS触发器为常用的硬件消抖。软件方法消抖，即检测出键闭合后执行一个延时程序，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～20ms，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认按下按键操作有效。当检测到按键释放后，也要给5ms～20ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。经过按键消抖的行人优先按键，判断按键有效后，按键信号传递给控制系统，控制系统再进入相应的处理程序。如还不明白之处，见实验的PDF。

图5.1.2按键消抖示意图

1.2.3 按键消抖代码实现

使用明德扬的计数器模板，可以很快速很熟练地写出按键消抖模块。

每20ms扫描一次按键输入key_in，可以达到消抖的目的，再用寄存器缓存一下，按键为低电平有效；所以检测当检测到按键有下降沿变化时，代表该按键被按下，按键有效，输出1。

代码如下：

1.3 DDS模块设计

1.3.1 控制波形类型

消抖过后的按键输入到本模块，同样使用明德扬至简设计法和计数器模板，可以秒速写出控制波形类型的代码。按键1每按下一次，即key_done[0]有效时，wave_cnt加1，加到3时归0，否则保持不变。wave_cnt为0时输出正弦波，1时输出三角波，2时输出锯齿波，默认时输出正弦波；至简设计法和计数器模板有多好用，越用越绝精妙。

完整代码如下：

1.3.2 改变波形频率

话不多说，反手又是一个明德扬计数模板。按键2每按下一次，即key_done[1]有效时，i乘以2，加到64时归0，否则保持不变。这里通过i可以改变频率的原理是ROM中512个数据为一个周期，i等于1的话，采集一个周期需要512次，clk/512即为频率，i为2时，只需要采集256次即完成一个周期，频率为clk/256。

当然也可以直接通过分频改变clk，从而达到改变频率的效果。

完整代码如下：