FPGA学习——DE2-115开发板上设计波形发生器

news2025/7/15 6:25:16

1. 实验目的

掌握直接数字频率合成（DDS）技术的基本原理和应用。
使用DE2-115开发板实现正弦波和方波的生成。
使用SignalTap II嵌入式逻辑分析仪测试输出波形的离散数据。

2. 实验原理

DDS技术：通过相位累加器生成相位信息，结合波形存储器（ROM）输出波形数据。
波形存储器：使用ROM存储正弦波和方波的采样数据。
频率控制：通过调整相位累加器的步长实现不同频率的输出。

3. 实验步骤

生成波形数据：使用C语言或MATLAB生成正弦波和方波的采样数据，并保存为MIF文件。
调用ROM IP核：在Quartus中生成ROM IP核，并加载生成的MIF文件。
设计DDS模块：实现相位累加器和波形选择逻辑。
顶层模块设计：将DDS模块与开发板的时钟、复位、按键等信号连接。

在这里插入图片描述

4. 代码实现

4.1 顶层模块代码

module DE2_115_DDS_top(
    input CLOCK_50,
    input [3:0] KEY,
    input [17:0] SW,
    output [12:0] GPIO_0,
    output [0:0] LEDG
);
    wire CLOCK_100;
    assign GPIO_0[12] = CLOCK_100;
    wire RSTn = KEY[3];
    wire [1:0] WaveSel = SW[17:16];
    wire [12:0] K = SW[12:0];
    wire [11:0] WaveValue;
    assign GPIO_0[11:0] = WaveValue;

    DDS_top DE2(
        .CLOCK_50(CLOCK_50),
        .RSTn(RSTn),
        .WaveSel(WaveSel),
        .K(K),
        .WaveValue(WaveValue),
        .LEDG(LEDG),
        .CLOCK_100(CLOCK_100)
    );
endmodule

4.2 DDS核心模块代码

module DDS_top(
    input CLOCK_50,
    input RSTn,
    input [1:0] WaveSel,
    input [12:0] K,
    output reg [11:0] WaveValue,
    output reg [0:0] LEDG,
    output CLOCK_100
);
    reg [31:0] PhaseAcc;
    reg [10:0] ROMAddr;
    reg [11:0] SineValue, SquareValue;

    // 时钟分频
    reg [24:0] ClockDiv;
    wire Clock_100;
    always @(posedge CLOCK_50 or negedge RSTn) begin
        if (!RSTn) begin
            ClockDiv <= 0;
        end else begin
            if (ClockDiv == 10000000) begin
                ClockDiv <= 0;
                Clock_100 <= ~Clock_100;
            end else begin
                ClockDiv <= ClockDiv + 1;
            end
        end
    end

    // 相位累加器
    always @(posedge CLOCK_50 or negedge RSTn) begin
        if (!RSTn) begin
            PhaseAcc <= 0;
        end else begin
            PhaseAcc <= PhaseAcc + K;
        end
    end

    // ROM地址生成
    assign ROMAddr = PhaseAcc[31:21];

    // 波形选择
    always @(posedge CLOCK_50 or negedge RSTn) begin
        if (!RSTn) begin
            SineValue <= 0;
            SquareValue <= 0;
            WaveValue <= 0;
            LEDG <= 0;
        end else begin
            case (WaveSel)
                2'b00: begin
                    WaveValue <= SineValue;
                    LEDG <= 1'b0;
                end
                2'b01: begin
                    WaveValue <= SquareValue;
                    LEDG <= 1'b1;
                end
                default: begin
                    WaveValue <= 0;
                    LEDG <= 0;
                end
            endcase
        end
    end

    // ROM模块
    rom_sine rom_sine_inst(
        .address(ROMAddr),
        .clock(CLOCK_50),
        .q(SineValue)
    );

    rom_square rom_square_inst(
        .address(ROMAddr),
        .clock(CLOCK_50),
        .q(SquareValue)
    );
endmodule

4.3 ROM模块代码

// 正弦波ROM
module rom_sine(
    input [10:0] address,
    input clock,
    output reg [11:0] q
);
    reg [11:0] mem [0:2047];
    initial begin
        $readmemb("Sine1024.mif", mem);
    end
    always @(posedge clock) begin
        q <= mem[address];
    end
endmodule

// 方波ROM
module rom_square(
    input [10:0] address,
    input clock,
    output reg [11:0] q
);
    reg [11:0] mem [0:2047];
    initial begin
        $readmemb("Square1024.mif", mem);
    end
    always @(posedge clock) begin
        q <= mem[address];
    end
endmodule

4.4 波形数据生成代码

// 生成正弦波MIF文件
#include <stdio.h>
#include <math.h>

#define PI 3.141592
#define DEPTH 1024
#define WIDTH 12

int main(void)
{
    int n, temp;
    float v;
    FILE *fp;

    fp = fopen("Sine1024.mif", "w+");
    if (NULL == fp) {
        printf("Can not creat file!\r\n");
        return -1;
    } else {
        printf("File created successfully!\n");
        fprintf(fp, "DEPTH=%d;\n", DEPTH);
        fprintf(fp, "WIDTH=%d;\n", WIDTH);
        fprintf(fp, "ADDRESS_RADIX=HEX;\n");
        fprintf(fp, "DATA_RADIX=HEX;\n");
        fprintf(fp, "CONTENT\n");
        fprintf(fp, "BEGIN\n");
        for (n = 0; n < DEPTH; n++) {
            v = sin(2 * PI * n / DEPTH);
            temp = (int)((v + 1) * 4095 / 2);
            fprintf(fp, "%04x : %03x;\n", n, temp);
        }
        fprintf(fp, "END;\n");
        fclose(fp);
    }
    return 0;
}