DDS的優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹

當(dāng)MSB-1為‘0’(一，三象限)時(shí)，對查找地址phase(5...0)不做任何處理;當(dāng)其為‘1’(二，四象限)時(shí)，對phase(5...0)取反。ROM的輸出為10位數(shù)據(jù)，其中最高位為符號位。當(dāng)MSB為‘0’(一，二象限)時(shí)，輸出信號符號位為‘0’，低9為ROM中的幅度數(shù)據(jù);當(dāng)其為‘1’(三，四象限)時(shí)，輸出信號符號位為‘1’，低9位為ROM中的幅度數(shù)據(jù)的相反數(shù)的補(bǔ)碼。ROM的VHDL實(shí)現(xiàn)的主要部分如下：

architecture Behavioral of rom is

signal sin：STD_LOGIC_VECTOR(8 downto 0);

signal temp：STD_LOGIC_VECTOR(5 downto 0);

begin

temp=phase when MSB-1=′0′ else

not phase;

process(temp)

begin

case temp is

when ″000000″=>

sin=″000000000″;

…… --正弦查找表由MATLAB生成

end case;

end process;

data_out=″0″ sin when MSB=′0′ else

″1″ not sin+″000000001″;

end Behavioral;

2.3 同步接口電路設(shè)計(jì)

在使用DDS時(shí)，需要為其提供頻率控制字K的值，一般通過中央控制單元MCU來完成，其以數(shù)據(jù)總線及寫時(shí)鐘信號的方式與FPGA內(nèi)的DDS實(shí)體進(jìn)行通訊，同時(shí)DDS在FPGA內(nèi)部又是在本地時(shí)鐘fc驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行。由于MCU的寫時(shí)鐘和FPGA內(nèi)的本地時(shí)鐘異步，兩者之間進(jìn)行通訊難免存在數(shù)據(jù)不穩(wěn)等問題，特別是在通訊速度較高時(shí)，這一異步接口問題會(huì)更加突出。為了實(shí)現(xiàn)異步接口的同步化，本文提出了如圖3所示的接口同步電路。

3 硬件實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果

本文使用VHDL 語言對各個(gè)模塊及DDS系統(tǒng)進(jìn)行描述。頂層文件如下所示：

Entity dds is

Port(reset：in std_logic;--全局復(fù)位信號

fre：in std_logic_vector(7 downto 0);

--頻率控制字輸入

clk：in std_logic;

--系統(tǒng)時(shí)鐘

fwwrn：in std_logic;　　　　　　--頻率控制字寫信號

gen：in std_logic_vector(0 downto 0);--波形控制字

amp_out：out std_logic_vector(9 downto 0));

--正弦波幅度輸出

end dds;

architecture Behavioral of dds is

component fcwld--接口同步模塊

Port(reset：in std_logic;

clk：in std_logic;

fre：in std_logic_vector(7 downto 0);

fwwrn：in std_logic;

syncfreq：out std_logic_vector(31 downto 0));

--合成頻率控制字

end component;

component accumulator　　　　　　　　--流水線累加器塊

Port(reset：in STD_LOGIC;

clk：in STD_LOGIC;

syncfreq：in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);

phase：out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));

--相位高八位輸出

end component;

component rom--波形存儲器模塊

Port(phase：in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);

gen：in STD_LOGIC_VECTOR(0 downto 0);

amp_out：out STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0));

end component;

為了對DDS進(jìn)行評估，將以上設(shè)計(jì)在Xilinx公司的開發(fā)軟件中進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化，目標(biāo)器件為其最新的90nm工藝器件Spartan3E中最小器件XC3S100E-4VQ100C，該設(shè)計(jì)所占用的FPGA資源如表2所示。

由表2可以看出，本文給出的DDS設(shè)計(jì)占用資源很少，由于XC3S100E的市場價(jià)格在2美金左右，故本設(shè)計(jì)所占的硬件成本可以縮減到0.2美金左右。同時(shí)在ISE8.2中該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)鐘最大達(dá)到159.6MHz。以上的設(shè)計(jì)性能幾乎和現(xiàn)有的專用芯片相當(dāng)，但成本下降很多。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文給出的DDS設(shè)計(jì)系統(tǒng)在功能和時(shí)序上的正確性，對其進(jìn)行了時(shí)序仿真，使用的仿真軟件為Modelsim6.1。仿真結(jié)果表明，該DDS系統(tǒng)可以運(yùn)行在較高的工作頻率下。

本文在對DDS的基本原理進(jìn)行深入理解的基礎(chǔ)上，通過采用三種優(yōu)化與設(shè)計(jì)技術(shù)：(1)使用流水線累加器在不過多增加門數(shù)的條件下，大幅提高了芯片的工作速度;(2)壓縮成正弦查找表，在保證芯片使用精度的情況下減少了近3/4面積，大大節(jié)約了ROM的容量。(3)采用同步接口電路設(shè)計(jì)方案，消除了系統(tǒng)的接口不穩(wěn)定性。同時(shí)使用VHDL語言實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，并把該設(shè)計(jì)適配到Xilinx公司的最新90nm工藝的Spartan3E系列的FPGA中，實(shí)際結(jié)果表明了本文給出的DDS設(shè)計(jì)方案在硬件開銷方面的優(yōu)勢。