FPGA实现10M多功能信号发生器

废话

总体方案论证与选择

方案一：采用模拟锁相环实现。模拟锁相环技术是一项比较成熟的技术。应用模拟锁相环，可将基准频率倍频，或分频得到所需的频率，且调节精度可以做到相当高、稳定性也比较好。但模拟锁相环模拟电路复杂，不易调节，成本较高，并且频率调节不便且调节范围小，输出波形的毛刺较多，得不到满意的效果。
方案二：采用直接数字频率合成，用单片机作为核心控制部件。能达到较高的要求，实现各种波形输出，但受限于运算位数和运算速度，产生的波形往往达不到满意效果，并且频率可调范围小，很难得到较高频率，并且单片机的引脚少，存储容量少，这就导致了外围电路复杂。
方案三：采用直接数字频率合成，用FPGA器件作为核心控制部件。精度高稳定性好，得到波形平滑，特别是由于FPGA的高速度，能实现较高频率的波形。控制上更方便，可得到较宽频率范围的波形输出，步进小，外围电路简单易实现。
经过上述分析，核心控制系统采用方案三。

DDS模块方案论证

方案一：采用高性能DDS单片电路的解决方案。
随着微电子技术的飞速发展，目前高超性能优良的DDS产品不断推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanford等公司单片电路（monolithic）。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，变频时间为0.1μs；美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列：AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。
方案二：采用低频正弦波DDS单片电路的解决方案
此方案的典型电路有MicroLinear公司的电源管理事业部推出低频正弦波DDS单片电路ML2035以其价格低廉、使用简单得到广泛应用。ML2035特性：（1）输出频率为直流到25kHz，在时钟输入为12.352MHz以外频率分辨率可达到1.5Hz（-0.75～+0.75Hz），输出正弦波信号的峰-峰值为Vcc；（2）高度集成化，无需或仅需极少的外接元件支持，自带3～12MHz晶体振荡电路；（3）兼容的3线SPI串行输入口，带双缓冲，能方便地配合单片机使用；（4）增益误差和总谐波失真很低。ML2035生成的频率较低（0～25kHz），一般应用于一些需产生的频率为工频和音频的场合。如用2片ML2035产生多频互控信号，并与AMS3104（多频接收芯片）或ML2031/2032（音频检波器）配合，制作通信系统中的收发电路等。可编程正弦波发生器芯片ML2035设计巧妙，具有可编程、使用方便、价格低廉等优点，应用范围广泛。很适合需要低成本、高可靠性的低频正弦波信号的场合。
方案三：自行设计的基于CPLD/FPGA芯片的解决方案
DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其速度高、规模大、在线可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS技术。目前PLD器件（包括CPLD、FPGA）的生产厂商主要有Altera，Xilinx以及Lattoce等。Altera是著名的PLD生产厂商，多年来一直占据着行业领先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的优点，此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等，因此Altera的产品获得了广泛的应用。虽然有的专用DDS芯片的功能也比较多，但控制方式却是固定的，因此不一定是我们所需要的。而利用FPGA则可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。就合成信号质量而言，专用DDS芯片由于采用特定的集成工艺，内部数字信号抖动很小，可以输出高质量的模拟信号；利用FPGA也能输出较高质量的信号，虽然达不到专用DDS芯片的水平，但信号精度误差在允许范围之内。
基于以上优点我们采用了FPGA芯片来实现我们设计的DDS。

总体设计方框图

直接数字频率合成技术的基本原理

Verilog HDL代码实现与仿真

信号发生器模块

频率控制字和相位累加器

位累加器的位数N=32，Verilog HDL代码如下：

1.module F_word_set(
2. input    clk  ,
3. input    rst_n ,
4. input    key1_in ,
5.
6. output reg [25:0] f_word 
7. );
8. 
9. wire  key_flag ;
10. wire  key_state ;
11. reg [3:0] cnt   ;
12.
13. key_filter fword_key (
14.   .clk       (clk),
15.   .rst_n     (rst_n),
16.   .key_in    (key1_in),
17.   .key_flag  (key_flag),
18.   .key_state (key_state)
19.  );
20.
21. always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
22.  if (!rst_n) begin
23.   cnt <= 4'd0;
24.  end
25.  else if (key_flag) begin
26.   if (cnt==4'd10) begin
27.    cnt <= 4'd0;
28.   end
29.   else begin
30.    cnt <= cnt + 1'b1;
31.   end
32.  end
33. end
34.
35. always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
36.  if (!rst_n) begin
37.   f_word <= 0;
38.  end
39.  else begin
40.   case(cnt)
41.    4'd0:f_word = 26'd86;  //1Hz
42.    4'd1:f_word = 26'd859;  //10Hz
43.    4'd2:f_word = 26'd8590;  //100Hz
44.    4'd3:f_word = 26'd42950; //500Hz
45.    4'd4:f_word = 26'd85899; //1kHz
46.    4'd5:f_word = 26'd429497; //5kHz
47.    4'd6:f_word = 26'd858993; //10kHz
48.    4'd7:f_word = 26'd4294967; //50kHz
49.    4'd8:f_word = 26'd8589935; //100kHz
50.    4'd9:f_word = 26'd17179869; //200kHz
51.    4'd10:f_word = 26'd42949673;//500kHz
52.    default:;
53.   endcase
54.  end
55. end
56.endmodule