任意波形发生器ROM查找表的设计

摘 要：基于直接数字合成器(DDS)技术设计的任意波形发生器中，ROM查找表是DDS模块的一个重要环节，主要用于存储系统的波形数据。介绍使用C语言、Matlab和DSP Builder三种方法生成正弦波、三角波、锯齿波和方波的查找表初始化波形数据，并对每一种方法的程序设计、参数设置以及波形仿真都作了详细说明，所有波形数据均在GW48-SOPC开发系统中测试通过。

关键词：直接数字合成器；查找表；任意波形发生器；DSP Builder

中图分类号：TP311 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)11-172-02

Design of Arbitrary Waveform Generator ROM LUT

XU Danyang,ZHANG Xiaohong，WANG Yong

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

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.

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

1 引 言

目前，利用FPGA设计任意波形发生器是经常采用的一种方法，其核心是直接数字频率合成器(DDS)。DDS系统一般包括系统时钟、频率预置与调节电路(频率累加器)、相位累加器、ROM 查找表，输出的数据通过外接的D/A转换器和滤波器完成波形输出。此系统中，ROM中波形数据的设计是完成任意波形的关键环节。构成ROM中初始化波形数据文件的格式有两种：Memory Initialization File(.mif)格式和Hexadecimal(Intel-Format)File(.hex)格式,实际应用中使用其中一种格式的文件即可。本文以图1所示DDS系统为例，采用三种方法生成正弦波、三角波、矩形波和锯齿波的ROM查找表。

图1 直接数字频率合成器系统

图1所示系统参数：系统时钟(FCLK)为166.67 MHz(由FPGA时钟50 MHz晶振通过PLL 3分频10倍频得到)；频率累加器位宽(N)为24位；相位累加器位宽为10位；ROM表数据位宽为8位；ROM表地址为10位。硬件选用GW48-SOPC开发系统，其目标芯片为Altera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8。

2 利用C语言生成MIF文件

产生正弦波数据的C程序：

#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\\n");

exit(0);

}

fprintf(fp,"WIDTH=10;\\n");

fprintf(fp,"DEPTH=1024;\\n");

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

fprintf(fp,"DATARADIX=DEC;\\n");

fprintf(fp,"CONTENT BEGIN\\n");

for(n=0;n

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

if(fmod(n,10)==0)

{fprintf(fp,"\\n");}

fprintf(fp,"%4d:%4.0f;",n,y);

}

fprintf(fp,"\\nEND;");

fclose(fp);

}

在TC环境下运行，在Output文件夹下生成SIN101~1文件，运行此文件得到SINDATA.mif文件。文件内容如下：

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；

…(略去数据)

1020:115;1021:118;1022:121;1023:124;

END;

3 用Matlab生成.mif数据文件

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计算出来的数据粘贴到QuartusⅡ中生成.mif文件，以三角波为例说明。

图2 Matlab中三角波波形

Matlab生成三角波数据的程序：

clear

clc

Fs=1023;%只要1 024个值

t=0:0.2/Fs:0.2;

x1=round((sawtooth(2*pi*5*t,0.5)+1)/2*255)′;%三角波归一化

plot(t,x1),axis(［0,0.2,0,255］)

len=length(x1)%len＝1 024

fid= fopen(′d:\\deltarom.mif′,′w′);%为幅度值的存储准备一个文件

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

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

for i = 1:len%len=1 024

fprintf(fid,′%x,\\n′,x1(i));%循环将值写入文件中

end

fclose(fid);

打开Matlab的Workspace中参量X1， 复制里面生成的1 024个数据。在QuartusⅡ中打开ROM数据文件编辑窗，即File\\New\\Other files\\Memory Initialization File，根据DDS设计要求，设置ROM的数据数Number为1 024，数据宽Word size取8位，把Matlab中的波形数据粘贴入.mif数据表格，保存此数据文件即可。若希望生成其他波形数据，只需修改程序中“x1=round((sawtooth(2*pi*5*t,0.5)+1)/2*255)′”语句即可。

4 利用DSP Builder生成波形数据文件

利用DSP Builder生成.mif和.hex格式的波形数据文件是最简便的方法。在Matlab的Simulink环境中，用图形方式调用DSP Builder和Simulink库中的图形模块完成设计和仿真，如图3所示。若仿真正确， DSP Builder可直接生成.hex和.mif文件，在其数据文件目录中可以找到。只需设置图3中LUT模块参数，就可以改变输出波形类型、幅值和数据文件(.hex或.mif) 大小。

图3 利用DSP Builder设计信号发生器

根据前述设计要求，在LUT参数选项中，Bus Type：Unsigned Integer；Out：8；LUT Address Wide：10；Matlab Array：127*sawtooth(［0:2*pi/(2^10):2*pi］,1)+128(锯齿波公式，使用了归一算法，保证波形幅值在0～255之间，便于进行D/A转换)。仿真结果如图4所示。修改Matlab Array中的式子，即可生成正弦波(图5)、方波(┩6)、三角波。

图4 锯齿波仿真波形

图5 正弦波仿真波形

图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

从仿真图中可以看到，输出波形在0～255之间，符合8位D/A转换器DAC0832输入要求。

5 结 语

生成.hex或.mif文件后，就可以定制ROM元件，很多资料中都有详细介绍，这里不再详述。本文介绍的三种方法所生成的波形数据均已在GW48-SOPC开发系统上通过验证，但推荐采用DSP Builder生成数据文件的方法，因该方法不但参数设置简便，而且易于进行仿真验证。总之，不论采用哪种方法生成ROM查找表，都要参照系统芯片类型和D/A转换器等硬件资源条件完成设计。

参 考 文 献

［1］郑亚民,董晓舟.可编程逻辑器件开发软件QuartusⅡ\[M\].北京:国防工业出版社,2006.

［2］潘松,黄继业,曾毓.SOPC技术实用教程\[M\].北京:清华大学出版社,2005.

［3］任勇峰,庄新敏.VHDL与硬件实现速成\[M\].北京:国防工业出版社,2005.

［4］求是科技.Matlab 7.0从入门到精通\[M\].北京:人民邮电出版社,2006.

［5］余勇,郑小林.基于FPGA的DDS正弦信号发生器的设计和实现\[M\].电子器件,2005,28(3):595-599.

作者简介 徐丹D 女，1977年出生，湖南长沙市人，讲师(硕士)。研究方向为电子EDA。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。