基于FPGA的DDS信号发生器：探索数字信号生成的奇妙之旅

基于FPGA的DDS信号发生器任意信号发生器，实物VerilogVHDL 本设计是在FPGA开发板上实现一个DDS信号发生器，输出波形有正弦波、方波、三角波和锯齿波等，输出波形频率范围0到20MHZ可调，波形最大幅度在0到5V之间可调，相位也可调。可以根据你的要求选择ROM实现方案或CORDIC算法方案

在数字信号处理的领域中，DDS（直接数字频率合成器）信号发生器无疑是一颗璀璨的明珠。今天，咱就来聊聊如何基于FPGA开发板打造一个功能强大的DDS信号发生器，它能输出正弦波、方波、三角波和锯齿波等多种波形，频率范围在0到20MHZ之间自由可调，波形最大幅度也能在0到5V之间灵活变动，就连相位也能随心调整。

实现方案的抉择

在实现这个DDS信号发生器时，有两种经典方案摆在我们面前：ROM实现方案和CORDIC算法方案。

ROM实现方案

ROM实现方案相对直观。我们可以事先将不同波形的数据存储在ROM（只读存储器）中。比如对于正弦波，我们通过数学计算，在一个周期内取足够多的采样点，将这些点对应的幅值数据存入ROM。在FPGA运行时，根据设定的频率和相位，按照一定的地址顺序读取ROM中的数据，再经过数模转换（DAC）就能得到模拟的正弦波信号。

以下是一个简单的Verilog代码示例，展示如何通过ROM实现正弦波输出（简化示意，实际需完整的地址生成等逻辑）：

module sine_rom ( input wire clk, input wire [15:0] address, output reg [15:0] sine_value ); // 这里假设已经有一个预先填充好正弦波数据的ROM reg [15:0] rom [0:65535]; always @(posedge clk) begin sine_value = rom[address]; end endmodule

代码分析：这个模块sinerom接收时钟信号clk和地址信号address。在时钟上升沿，从ROM数组rom中根据地址address取出对应的值赋给sinevalue，这个sine_value就是当前地址对应的正弦波幅值。

CORDIC算法方案

CORDIC（坐标旋转数字计算机）算法方案则更具灵活性和通用性。它通过一系列的移位和加减法运算来实现三角函数等复杂运算。利用CORDIC算法，我们可以实时计算出不同相位对应的正弦、余弦等波形值，无需像ROM方案那样占用大量的存储资源。

以VHDL代码为例（同样简化示意，实际需完善的控制逻辑等）：

library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; entity cordic_sine is Port ( clk : in STD_LOGIC; phase : in STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0); sine_out : out STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0)); end cordic_sine; architecture Behavioral of cordic_sine is begin process(clk) variable angle : STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0); variable sin_result : STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0); begin if rising_edge(clk) then angle := phase; -- 这里省略CORDIC具体迭代计算过程，实际要通过多次移位和加减法来逼近正弦值 sin_result := "1010101010101010"; -- 示例结果，非真实计算 sine_out <= sin_result; end if; end process; end Behavioral;

代码分析：这个实体cordicsine接收时钟信号clk和相位信号phase。在时钟上升沿，将输入相位赋给变量angle，然后通过CORDIC算法（此处代码省略了具体复杂的迭代计算）来计算正弦值，最后将计算结果赋给输出sineout。

多种波形与参数可调的实现

无论是哪种方案，要实现多种波形输出，我们可以通过一个选择器根据用户设定来选择不同的波形数据输出。比如在Verilog中可以这样实现一个简单的波形选择逻辑：

module wave_selector ( input wire clk, input wire [1:0] wave_select, input wire [15:0] sine_data, input wire [15:0] square_data, input wire [15:0] triangle_data, input wire [15:0] sawtooth_data, output reg [15:0] selected_wave ); always @(posedge clk or posedge wave_select) begin case (wave_select) 2'b00: selected_wave = sine_data; 2'b01: selected_wave = square_data; 2'b10: selected_wave = triangle_data; 2'b11: selected_wave = sawtooth_data; endcase end endmodule

代码分析：模块waveselector接收时钟信号clk和波形选择信号waveselect。根据waveselect的不同值，从输入的正弦波数据sinedata、方波数据squaredata、三角波数据triangledata和锯齿波数据sawtoothdata中选择一种赋给selectedwave。