基于流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的DDS多功能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

第一級(jí)流水線(xiàn)經(jīng)過(guò)全加器之后得出運(yùn)算結(jié)果sum[0．．7]和進(jìn)位信號(hào)，sum[0．．7]作為本級(jí)的輸出，它是整個(gè)累加結(jié)果的最低8位，而進(jìn)位信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)reg1之后作為下一級(jí)全加器的輸入。

第二級(jí)流水線(xiàn)的輸入信號(hào)是a[8．．15]，因?yàn)樯弦患?jí)共由兩級(jí)數(shù)據(jù)鎖存器構(gòu)成，所以在做全加運(yùn)算之前先分別將輸入信號(hào)和本級(jí)的反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)2次數(shù)據(jù)鎖存，然后再與來(lái)自上一級(jí)的進(jìn)位信號(hào)進(jìn)行全加運(yùn)算，運(yùn)算之后的結(jié)果作為本級(jí)的輸出sum[8．．15]，同時(shí)產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)參與下一級(jí)的運(yùn)算。第三級(jí)與第四級(jí)的工作原理同上，系統(tǒng)每增加一級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，鎖存器也會(huì)隨之增加一級(jí)。

圖3為在QuartusⅡ環(huán)境下得到的四級(jí)流水線(xiàn)仿真波形，時(shí)鐘信號(hào)的頻率是200 MHz，占空比為50 ％，偏移量為0。為觀察方便，輸入控制字a和累加結(jié)果sum均用無(wú)符號(hào)十進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，且輸入控制字設(shè)定為32，由波形圖可見(jiàn)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)32位的相位累加。

3 任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

DDS可以根據(jù)ROM中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的不同產(chǎn)生多種波形。在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下搭建DDS系統(tǒng)模型需要訂制波形存儲(chǔ)器ROM，根據(jù)所需精度的不同，ROM中存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)數(shù)也不同。當(dāng)所需波形數(shù)據(jù)非常簡(jiǎn)單時(shí)，可以在QuartusⅡ中定制ROM時(shí)直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入新建的mif文件，然后保存即可，當(dāng)所需波形數(shù)據(jù)較為復(fù)雜時(shí)，可以通過(guò)Matlab來(lái)自動(dòng)生成所需波形的幅度數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)調(diào)用mif文件來(lái)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。以256個(gè)點(diǎn)的正弦波為例加以分析說(shuō)明。

產(chǎn)生正弦波的Matlab程序如下：

width定義的是位寬，depth是深度，也就是將來(lái)生成的mif文件含有多少個(gè)存儲(chǔ)單元，在此處，設(shè)定了數(shù)據(jù)寬度為8位，存儲(chǔ)單元數(shù)為256，將來(lái)在QuartusⅡ中定制ROM時(shí)也要相應(yīng)地將存儲(chǔ)單元數(shù)設(shè)定為256，根據(jù)DDS的基本原理，隨著設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)的增加，所得的波形數(shù)據(jù)會(huì)更加準(zhǔn)確，通過(guò)D／A轉(zhuǎn)化后在示波器上觀測(cè)的波形也越精準(zhǔn)，但所需ROM的存儲(chǔ)空間將會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)，所以要根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)綜合考慮存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)。將上述指令在Matlab環(huán)境中運(yùn)行之后就能夠得到所需mif文件。

在mif文件生成之后需要將此文件添加進(jìn)入DDS系統(tǒng)的ROM中，然后進(jìn)行全局的編譯，編譯通過(guò)后就可以進(jìn)行工程的下載。具體的波形可以通過(guò)示波器來(lái)分析，或者使用Quartus Ⅱ自帶的嵌入式邏輯分析儀來(lái)分析。在使用嵌入式邏輯分析儀分析和觀察時(shí)，采樣信號(hào)要根據(jù)DDS的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)確定，待測(cè)信號(hào)設(shè)定為DDS的輸出信號(hào)，當(dāng)工程下載到FPGA芯片后，待測(cè)信號(hào)通過(guò)USB-BLASTER反饋至嵌入式邏輯分析儀中，選擇不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，可以觀察到以十進(jìn)制數(shù)據(jù)表示的數(shù)字信號(hào)或者以實(shí)際波形表示的模擬信號(hào)。