可变频率正弦信号发生器的FPGA实现（Quartus）_fpga正弦信号发生器

一、说明

实现平台：Quartus17.1、MATLAB2021a和Modelsim SE-64 10.4

二、内容

1. 产生一个完整周期的正弦波信号，并保存为*.mif文件;

2. 设计一个ROM，将正弦波信号文件初始化如该ROM中；

3. 设计一正弦波信号发生器，按照读取步长，产生频率可变的正弦波信号；

4.编写测试文件，通过modelsim查看波形。

三、步骤

（1）设计要求

•  要求设计一个可变频率的正弦波产生器，主要参数为：
• 50MHz的主时钟clock，低电平有效复位，reset；
• 输出正弦波，8位输出；
• 通过改变读地址的步进值，使输出的正弦波频率可变。

（2）设计思路

        采用top_down设计思想，将正弦波产生器分为三个模块。分别是顶层模块A_sin_gen，子模块B1_addr和子模B2_sin。

 图1 设计的总体框图

       其中顶层模块主要定义输入输出关系，划分两个子模块的接口，搭建起两个子模块的框架，整个设计要素如图2所示：

 图2 顶层模块A_sin_gen的设计要素

       子模块B1_addr主要用来产生对ROM的寻址。按照时钟街拍，改变寻址的步进，就可以改变输出正弦波的频率。该模块可以采用简单的向上计数器产生。模块设计要素如图3所示：

图3. 子模块B1_addr的设计要素 

        子模块B2_sin则主要用LPM_ROM宏模块产生。

（3）具体实现

1. 首先通过MATLAB产生产生长度1024，8Bits位宽的正弦信号，并生成mif文件，代码如下：

%%产生长度1024，8Bits位宽的正弦信号，并生成mif文件
 
depth =1024;                                %存储器的单元数1024
widths = 8;                                 %数据宽度为8位
fidc = fopen('sine.mif','wt');              %给文件命名
fprintf(fidc , 'depth = %d;\n',depth);      %在文件中打印 "depth=1024;"
fprintf(fidc, 'width = %d;\n',widths);      %在文件中打印  width=8;”
fprintf(fidc, 'address_radix = UNS;\n');    %在文件中打印  address_radix = UNS;”
fprintf(fidc,'data_radix = UNS;\n');        %在文件中打印  “data_radix = UNS;”
fprintf(fidc,'content begin\n');            %在文件中打印   content begin 
 
for(x = 1 : depth)
fprintf(fidc,'%d:%d;\n',x-1,round(127*sin(2*pi*(x-1)/256)+128));
end
fprintf(fidc, 'end;');
fclose(fidc);

2.打开quartus新建工程，首先设计顶层模块，代码如下：

//-------------------------------------
//Date：Nov，15th,2022-----------------
//Author：Zhuzi------------------------
//Description：Generate variable frequency sine wave.
//Version:1.0--------------------------
//-------------------------------------
 
module a_sin_gen(clk,rst_n,sin_wave);
	input 				clk;            //时钟信号50MHz
	input 				rst_n;          //复位信号
	output [7:0] 		sin_wave;       //正弦信号
 
	wire   [9:0] 		RD_addr;        //rom地址
	wire   [7:0] 		sin_out;	    //读取正弦信号
	
B1_addr u1(                             //例化模块1
	.clk	(clk),
	.rst_n	(rst_n),
	.RD_addr(RD_addr)	
);
 
B2_sin u2(                              //例化模块2
	.clk	(clk),
	.add_in	(RD_addr),
	.sin_out(sin_out)
);
 
assign sin_wave = sin_out;              //输出正弦信号
	
endmodule	
 
​

3.接着按顺序设计模块1和模块2。子模块B1_addr用来产生对ROM的寻址，代码如下：

module B1_addr(clk,rst_n,RD_addr);
	input 			clk;
	input 			rst_n;
	output 	[9:0] 	RD_addr;
 
	parameter 		step = 5;//ROM寻址步长
	reg 	[9:0] 	addr;
 
assign RD_addr = addr;
 
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		addr <= 0;
	else addr <= addr + step;
end
 
endmodule

4.子模块B2_sin需要调用LPM_ROM宏功能模块，根据设计要求，ROM核的设置如下：

 

 子模块B2_sin代码如下：

module B2_sin(clk,add_in,sin_out);
	input 			clk;
	input 	[9:0] 	add_in;
	output 	[7:0] 	sin_out;
	
sin_rom_p u3(
	.address(add_in),
	.clock(clk),
	.q(sin_out)
);
 
endmodule

 5.程序设计完成后点击综合，只要综合完成即可进行下一步。

设计完成后可以看到RTL原理图如下所示，基本符合预期。

 6.TestBench程序编写如下：

`timescale 1 ns/ 1 ns
module a_sin_gen_vlg_tst();
 
reg             clk;
reg             rst_n;                                           
wire [7:0]     sin_wave;
                        
a_sin_gen i1 (  
	.clk(clk),
	.rst_n(rst_n),
	.sin_wave(sin_wave)
);
 
initial                                                
begin                                                  
	clk = 0;
	rst_n = 0;
	#100;
	rst_n = 1;	
end 
                                                   
always #10 clk = ~clk;
                                                   
endmodule

（4）仿真结果 

 1.修改子模块1中的parameter参数即可改变步长，当ROM寻址步长为10时，测试仿真波形如下图所示：

2. 当ROM寻址步长为5时，测试仿真波形如下图所示：

通过上述结果可知，改变寻址步长即可调整产生正弦波的频率，表明实验成功。