摘 要：基于直接數(shù)字合成器(DDS)技術(shù)設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器中，ROM查找表是DDS模塊的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的波形數(shù)據(jù)。介紹使用C語言、Matlab和DSP Builder三種方法生成正弦波、三角波、鋸齒波和方波的查找表初始化波形數(shù)據(jù)，并對(duì)每一種方法的程序設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置以及波形仿真都作了詳細(xì)說明，所有波形數(shù)據(jù)均在GW48-SOPC開發(fā)系統(tǒng)中測(cè)試通過。

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關(guān)鍵詞：直接數(shù)字合成器；查找表；任意波形發(fā)生器；DSP Builder

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)11-172-02

Design of Arbitrary Waveform Generator ROM LUT

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XU Danyang，ZHANG Xiaohong，WANG Yong

(Electronic Information Engineering College，Henan University of Science and Technology，Luoyang，471003，China)

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Abstract：In the arbitrary waveform generator based on DDS，ROM LUT is an important element of the DDS module，which is used to store waveform data of the system.In the paper，using three methods，including C language，Matlab and DSP Builder，producing the arbitrary waveform initialization data of the sine wave，the triangular wave，the saw-tooth wave and the square-wave.Programming，parameter setting and waveform simulation are described to every method detailedly.All waveform data are verified by GW48-SOPC development system.

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Keywords：DDS;LUT;arbitrary waveform generator;DSP Builder

1 引 言

目前，利用FPGA設(shè)計(jì)任意波形發(fā)生器是經(jīng)常采用的一種方法，其核心是直接數(shù)字頻率合成器(DDS)。DDS系統(tǒng)一般包括系統(tǒng)時(shí)鐘、頻率預(yù)置與調(diào)節(jié)電路(頻率累加器)、相位累加器、ROM 查找表，輸出的數(shù)據(jù)通過外接的D/A轉(zhuǎn)換器和濾波器完成波形輸出。此系統(tǒng)中，ROM中波形數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)是完成任意波形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。構(gòu)成ROM中初始化波形數(shù)據(jù)文件的格式有兩種：Memory Initialization File(.mif)格式和Hexadecimal(Intel-Format)File(.hex)格式，實(shí)際應(yīng)用中使用其中一種格式的文件即可。本文以圖1所示DDS系統(tǒng)為例，采用三種方法生成正弦波、三角波、矩形波和鋸齒波的ROM查找表。

圖1 直接數(shù)字頻率合成器系統(tǒng)

圖1所示系統(tǒng)參數(shù)：系統(tǒng)時(shí)鐘(FCLK)為166.67 MHz(由FPGA時(shí)鐘50 MHz晶振通過PLL 3分頻10倍頻得到)；頻率累加器位寬(N)為24位；相位累加器位寬為10位；ROM表數(shù)據(jù)位寬為8位；ROM表地址為10位。硬件選用GW48-SOPC開發(fā)系統(tǒng)，其目標(biāo)芯片為Altera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8。

2 利用C語言生成MIF文件

產(chǎn)生正弦波數(shù)據(jù)的C程序：

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#include\"stdio.h\"

#include\"math.h\"

#define N 1024

void main()

{

FILE *fp;

double y;

int n;

if((fp=fopen(\"sindata.mif\"，\"w\"))==NULL)

{printf(\"cannot open this file\\\\");

exit(0);

}

fprintf(fp，\"WIDTH=10;\\\\");

fprintf(fp，\"DEPTH=1024;\\\\");

fprintf(fp，\"ADDRESSRADIX=DEC;\\\\");

fprintf(fp，\"DATARADIX=DEC;\\\\");

fprintf(fp，\"CONTENT BEGIN\\\\");

for(n=0;n<=N-1;n++)

{y=127.5+127.5*sin(n*3.1415926535/128);

if(fmod(n，10)==0)

{fprintf(fp，\"\\\\");}

fprintf(fp，\"%4d:%4.0f;\"，n，y);

}

fprintf(fp，\"\\\END;\");

fclose(fp);

}



在TC環(huán)境下運(yùn)行，在Output文件夾下生成SIN101~1文件，運(yùn)行此文件得到SINDATA.mif文件。文件內(nèi)容如下：



WIDTH=10;

DEPTH=1024;

ADDRESSRADIX=DEC;

DATARADIX=DEC;

CONTENT BEGIN

0:128；1:131；2:134；3:137；4:140；5:143；6:146；7:149；8:152；9:155；10:158；11:162；12:165；13:167；14:170；15:173；16:176；17:179；18:182；19:185；

…(略去數(shù)據(jù))

1020:115;1021:118;1022:121;1023:124;

END;



3 用Matlab生成.mif數(shù)據(jù)文件

利用Matlab可以生成.mif文件，但此文件不能直接在定制ROM中使用，可以把Matlab計(jì)算出來的數(shù)據(jù)粘貼到QuartusⅡ中生成.mif文件，以三角波為例說明。

圖2 Matlab中三角波波形

Matlab生成三角波數(shù)據(jù)的程序：



clear

clc

Fs=1023;%只要1 024個(gè)值

t=0:0.2/Fs:0.2;

x1=round((sawtooth(2*pi*5*t，0.5)+1)/2*255)′;%三角波歸一化

plot(t，x1)，axis(［0，0.2，0，255］)

len=length(x1)%len＝1 024

fid= fopen(′d:\\\\deltarom.mif′，′w′);%為幅度值的存儲(chǔ)準(zhǔn)備一個(gè)文件

fprintf(fid，′MEMORYINITIALIZATIONRADIX=16;\\\′);

fprintf(fid，′MEMORYINITIALIZATIONVECTOR=\\\′);

for i = 1:len%len=1 024

fprintf(fid，′%x，\\\′，x1(i));%循環(huán)將值寫入文件中

end

fclose(fid);



打開Matlab的Workspace中參量X1， 復(fù)制里面生成的1 024個(gè)數(shù)據(jù)。在QuartusⅡ中打開ROM數(shù)據(jù)文件編輯窗，即File\\\\New\\\\Other files\\\\Memory Initialization File，根據(jù)DDS設(shè)計(jì)要求，設(shè)置ROM的數(shù)據(jù)數(shù)Number為1 024，數(shù)據(jù)寬Word size取8位，把Matlab中的波形數(shù)據(jù)粘貼入.mif數(shù)據(jù)表格，保存此數(shù)據(jù)文件即可。若希望生成其他波形數(shù)據(jù)，只需修改程序中“x1=round((sawtooth(2*pi*5*t，0.5)+1)/2*255)′”語句即可。

4 利用DSP Builder生成波形數(shù)據(jù)文件

利用DSP Builder生成.mif和.hex格式的波形數(shù)據(jù)文件是最簡(jiǎn)便的方法。在Matlab的Simulink環(huán)境中，用圖形方式調(diào)用DSP Builder和Simulink庫中的圖形模塊完成設(shè)計(jì)和仿真，如圖3所示。若仿真正確， DSP Builder可直接生成.hex和.mif文件，在其數(shù)據(jù)文件目錄中可以找到。只需設(shè)置圖3中LUT模塊參數(shù)，就可以改變輸出波形類型、幅值和數(shù)據(jù)文件(.hex或.mif) 大小。

圖3 利用DSP Builder設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器

根據(jù)前述設(shè)計(jì)要求，在LUT參數(shù)選項(xiàng)中，Bus Type：Unsigned Integer；Out：8；LUT Address Wide：10；Matlab Array：127*sawtooth(［0:2*pi/(2^10):2*pi］，1)+128(鋸齒波公式，使用了歸一算法，保證波形幅值在0～255之間，便于進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換)。仿真結(jié)果如圖4所示。修改Matlab Array中的式子，即可生成正弦波(圖5)、方波(圖6)、三角波。

圖4 鋸齒波仿真波形

圖5 正弦波仿真波形

圖6 方波仿真波形

正弦波：127*sin( ［0:2*pi/(2^10):2*pi］ )+128

方波：127*square(［0:2*pi/(2^10):2*pi］，50)+128

三角波：127*sawtooth(［0:2*pi/(2^10):2*pi］，0.5)+128

從仿真圖中可以看到，輸出波形在0～255之間，符合8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832輸入要求。

5 結(jié) 語

生成.hex或.mif文件后，就可以定制ROM元件，很多資料中都有詳細(xì)介紹，這里不再詳述。本文介紹的三種方法所生成的波形數(shù)據(jù)均已在GW48-SOPC開發(fā)系統(tǒng)上通過驗(yàn)證，但推薦采用DSP Builder生成數(shù)據(jù)文件的方法，因該方法不但參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)便，而且易于進(jìn)行仿真驗(yàn)證。總之，不論采用哪種方法生成ROM查找表，都要參照系統(tǒng)芯片類型和D/A轉(zhuǎn)換器等硬件資源條件完成設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］鄭亞民，董曉舟.可編程邏輯器件開發(fā)軟件QuartusⅡ\\[M\\].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.



［2］潘松，黃繼業(yè)，曾毓.SOPC技術(shù)實(shí)用教程\\[M\\].北京:清華大學(xué)出版社，2005.



［3］任勇峰，莊新敏.VHDL與硬件實(shí)現(xiàn)速成\\[M\\].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005.



［4］求是科技.Matlab 7.0從入門到精通\\[M\\].北京:人民郵電出版社，2006.



［5］余勇，鄭小林.基于FPGA的DDS正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)\\[M\\].電子器件，2005，28(3):595-599.

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作者簡(jiǎn)介 徐丹旸 女，1977年出生，湖南長(zhǎng)沙市人，講師(碩士)。研究方向?yàn)殡娮覧DA。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。