任意波形發生器ＲＯＭ查找表的設計

摘 要：基于直接數字合成器(DDS)技術設計的任意波形發生器中，ROM查找表是DDS模塊的一個重要環節，主要用于存儲系統的波形數據。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據，并對每一種方法的程序設計、參數設置以及波形仿真都作了詳細說明，所有波形數據均在GW48-SOPC開發系統中測試通過。

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關鍵詞：直接數字合成器；查找表；任意波形發生器；DSP Builder

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：B

文章編號：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設計任意波形發生器是經常采用的一種方法，其核心是直接數字頻率合成器(DDS)。DDS系統一般包括系統時鐘、頻率預置與調節電路(頻率累加器)、相位累加器、ROM 查找表，輸出的數據通過外接的D/A轉換器和濾波器完成波形輸出。此系統中，ROM中波形數據的設計是完成任意波形的關鍵環節。構成ROM中初始化波形數據文件的格式有兩種：Memory Initialization File(.mif)格式和Hexadecimal(Intel-Format)File(.hex)格式，實際應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 直接數字頻率合成器系統

圖1所示系統參數：系統時鐘(FCLK)為166.67 MHz(由FPGA時鐘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表數據位寬為8位；ROM表地址為10位。硬件選用GW48-SOPC開發系統，其目標芯片為Altera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8。

2 利用C語言生成MIF文件

產生正弦波數據的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);

}

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在TC環境下運行，在Output文件夾下生成SIN101~1文件，運行此文件得到SINDATA.mif文件。文件內容如下：



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；

…(略去數據)

1020:115;1021:118;1022:121;1023:124;

END;

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3 用Matlab生成.mif數據文件

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計算出來的數據粘貼到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生成三角波數據的程序：



clear

clc

Fs=1023;%只要1 024個值

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′);%為幅度值的存儲準備一個文件

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

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

for i = 1:len%len=1 024

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

end

fclose(fid);

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打開Matlab的Workspace中參量X1， 復制里面生成的1 024個數據。在QuartusⅡ中打開ROM數據文件編輯窗，即File\\\\New\\\\Other files\\\\Memory Initialization File，根據DDS設計要求，設置ROM的數據數Number為1 024，數據寬Word size取8位，把Matlab中的波形數據粘貼入.mif數據表格，保存此數據文件即可。若希望生成其他波形數據，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生成波形數據文件

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

圖3 利用DSP Builder設計信號發生器

根據前述設計要求，在LUT參數選項中，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，便于進行D/A轉換)。仿真結果如圖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轉換器DAC0832輸入要求。

5 結 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介紹，這里不再詳述。本文介紹的三種方法所生成的波形數據均已在GW48-SOPC開發系統上通過驗證，但推薦采用DSP Builder生成數據文件的方法，因該方法不但參數設置簡便，而且易于進行仿真驗證。總之，不論采用哪種方法生成ROM查找表，都要參照系統芯片類型和D/A轉換器等硬件資源條件完成設計。

參 考 文 獻

［1］鄭亞民，董曉舟.可編程邏輯器件開發軟件QuartusⅡ\\[M\\].北京:國防工業出版社，2006.

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［2］潘松，黃繼業，曾毓.SOPC技術實用教程\\[M\\].北京:清華大學出版社，2005.



［3］任勇峰，莊新敏.VHDL與硬件實現速成\\[M\\].北京:國防工業出版社，2005.

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［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.

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［5］余勇，鄭小林.基于FPGA的DDS正弦信號發生器的設計和實現\\[M\\].電子器件，2005，28(3):595-599.

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作者簡介 徐丹旸 女，1977年出生，湖南長沙市人，講師(碩士)。研究方向為電子EDA。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。