基于Xilinx FPGA的DDS IP频率控制字动态配置方法

简介一套面向现场可编程门阵列开发者的直接数字频率合成器动态配置例程基于赛灵思 Zynq-7000 系列器件在 Vivado 集成开发环境中实现。例程展示了如何利用虚拟输入输出调试核实时改写频率控制字从而在线调整输出频率弥补了静态配置无法动态调整的不足。压缩包包含 505 个文件大小约 44.31MB覆盖 Verilog/VHDL 源码、约束文件、仿真脚本、核配置、布线检查点、可烧写的比特流及自动运行脚本等类型完整呈现了从设计输入到生成位流的各个阶段并附有清晰的工程目录结构便于按模块查阅。该例程支持行为仿真并已在 XC7Z020CLG484-2 硬件平台上运行验证适合需要学习 DDS 核调用、虚拟输入输出动态调试技巧的工程师与学生。目前已有 492 人学习下载是一份贴近工程实践的参考资源。1. 基于Xilinx FPGA的DDS IP频率控制字动态配置为什么非要“可动态”做FPGA信号发生器或者跳频通信的时候最头疼的不是DDS IP核本身而是“频率字”改起来不够快。Xilinx的DDS Compiler IP核默认可以固定输出一个正弦波但很多场景要求在运行中改变频率比如扫频源要连续跳频软件无线电要快速换信道。这时候就需要把DDS的频率控制字Phase Increment也叫FTW做成可动态配置的。标题里写的是“具于xilinx FPGA的可动态配置DDS频率控制字的DDS IP examples”说白了就是给大家一套能直接在Vivado里跑起来、能在器件运行过程中改写频率字的例程。适合正在搞FPGA信号发生器、雷达信号模拟、跳频通信的工程师也适合刚接触DDS IP核、想搞清楚S_AXIS_CONFIG和AXI4-Lite区别的开发者。2. 频率控制字与DDS IP核的配置方式先算清楚再选接口2.1 DDS输出频率和频率控制字的换算关系DDS IP核内部本质是一个相位累加器累加器的位宽是B比特。每个时钟周期累加器加上一次频率控制字FTW再用累加器高位查正弦表得到波形输出。输出频率f_out和系统时钟f_clk、频率控制字FTW的关系是f_out (FTW * f_clk) / 2^B反过来FTW round((f_out * 2^B) / f_clk)比如用100MHz时钟DDS相位累加器位宽B32想产生10MHz正弦波FTW round(10e6 * 2^32 / 100e6) 4294967296? 实际计算10e6 * 4294967296 / 100e6 429496729.6四舍五入为429496730。这个数就是十进制结果写成十六进制是0x1999999A。所以给IP核写入0x1999999A就能输出10MHz。这里的关键是FTW是整数而输出频率不一定能精确等于期望值。B越大频率分辨率越高。Xilinx DDS Compiler的相位累加器位宽通常在8到64之间可配常用的是32位。如果需要精确到1Hz以内B取32配合100MHz时钟分辨率是100MHz/2^32 ≈ 0.023Hz完全够用。系统时钟相位位宽B输出目标频率FTW(hex)实际输出频率100 MHz321 MHz0x028F5C290.9999999 MHz100 MHz3210 MHz0x1999999A10.000000 MHz100 MHz3225 MHz0x4000000025.000000 MHz125 MHz325 MHz0x051EB8524.999999 MHz注意DDS输出的频率不能超过奈奎斯特频率也就是f_clk/2。实际工程中为了滤除镜像一般输出频率控制在f_clk的40%以内否则后端抗混叠滤波器很难做。2.2 Xilinx DDS Compiler IP核的三种配置模式在Vivado里添加DDS Compiler IP核时会看到“Configuration”页面有一个“Phase Increment Programming”选项可选“Fixed”或“Programmable”。选“Fixed”的话频率字在IP核例化时写死运行中不能改。选“Programmable”后下面还会出现“Streaming”和“Memory Map”两个子选项。Streaming模式IP核提供一个S_AXIS_CONFIG接口通过AXI4-Stream握手协议把频率字送进去。每个tvalid/tready握手可以更新一次频率延迟极低适合高速跳频。Memory Map模式IP核内部带一组AXI4-Lite寄存器ARM或者MicroBlaze通过总线写寄存器来改变频率字。适合系统里本来就有处理器总线的情况更新速度取决于总线频率。Fixed模式如果项目需求是上电固定输出一个频率那就选这个资源最少逻辑最简单。在实际项目中我一般这样选如果只是处理器后台偶尔改一下频率用Memory Map如果是FPGA内部逻辑每几个微秒就要换一次频率比如扫频雷达用Streaming如果频率永不改变用Fixed省掉所有动态配置逻辑。还有一个容易被忽略的点Streaming模式下IP核的Output Frequency即正弦表位宽、输出通道数和相位累加器位宽是分开配的。输出位宽决定SFDR一般设16位左右相位位宽决定频率分辨率建议不小于24位。2.3 动态配置前必须弄清楚的三个参数通道数Number of Channels多通道DDS可以同时输出多路频率每通道独立的FTW。配置接口上会有多个寄存器或者分时发送。输出波形Output Selection可选Sin、Cos、Sin和Cos。动态配置只影响频率不影响波形选择。SFDR无杂散动态范围由输出位宽和抖动Dither决定。如果你想用动态配置做高纯度信号源SFDR至少设到80dB以上DDS Compiler IP核里会有“Noise Shaping”选项选“Auto”即可。说了这么多核心是不管选哪种动态配置方式FTW的计算公式都一样差别只在于写入的接口协议。接下来给可直接抄用的例程。3. 通过AXI4-Lite动态改写DDS频率控制字的Memory Map例程3.1 Vivado中把DDS Compiler配成Memory Map模式在Vivado IP Catalog里搜索“DDS Compiler”双击打开配置界面“Configuration”页Phase Increment Programming选“Programmable”Parameter Selection选“Memory Map”或者直接选“Memory Map”之后它会自动把Phase Increment设为Programmable。“Implementation”页Phase Width设为32Output Width设为16。“Output Frequency”页设置系统时钟频率f_clk为100MHz可以勾选“Frequency per Channel”来指定想要的目标频率但这里指定了也只是初始值运行中会被寄存器覆盖。生成IP核后在Block Design里添加它。IP核会多出一个S_AXI接口和与之配套的S_AXI_ACLK、S_AXI_ARESETN。你需要把S_AXI连接到Zynq的M_AXI_GP0或者MicroBlaze的AXI总线上。地址分配时DDS IP核寄存器空间一般给4KB0x1000就够。3.2 DDS Compiler的寄存器偏移地址根据PG141文档Memory Map模式下DDS Compiler的寄存器映射如下我常用到的部分寄存器偏移名称说明0x10Channel 0 Phase Increment[31:0]通道0频率字低32位0x14Channel 0 Phase Increment[63:32]通道0频率字高32位当Phase Width大于32时有效0x18Channel 0 Phase Offset[31:0]通道0相位偏移低32位0x1CChannel 0 Phase Offset[63:32]通道0相位偏移高32位0x20Channel 1 Phase Increment[31:0]多通道时从0x20开始依次排列对于32位相位宽度只需要写0x10偏移处的寄存器。0x14、0x1C这类高32位寄存器可以不接IP核内部会自动按零处理。3.3 Zynq PS端C语言例程用Xil_Out32写频率字如果你用的是Zynq直接在Vitis里写裸机代码最简方式就是调用Xil_Out32#include xil_io.h #include xparameters.h #define DDS_BASEADDR XPAR_DDS_COMPILER_0_S_AXI_BASEADDR #define DDS_REG_PHASE_INC_LOW 0x10 void set_dds_frequency(uint32_t ftw) { Xil_Out32(DDS_BASEADDR DDS_REG_PHASE_INC_LOW, ftw); } int main(void) { // 输出10MHz相位累加器32位时钟100MHz uint32_t ftw (uint32_t)((10.0e6 * 4294967296.0) / 100.0e6); set_dds_frequency(ftw); while(1) { // 运行中翻转到20MHz uint32_t ftw2 (uint32_t)((20.0e6 * 4294967296.0) / 100.0e6); set_dds_frequency(ftw2); for(volatile int i 0; i 100000; i); } }代码逻辑很简单宏定义里拿到底地址和寄存器偏移然后调用Xil_Out32写入频率字。计算FTW时注意浮点转整型的舍入用(uint32_t)强转相当于向下取整最好用(uint32_t)round()来减少误差。写寄存器后DDS输出不是瞬间就变的相位累加器会在下一个时钟周期开始用新频率字但因为累加器相位是连续的所以波形不会出现跳变这是DDS最大的优点。3.4 纯Verilog逻辑里用AXI4-Lite从机控制DDS如果没有处理器又想在纯FPGA逻辑里通过Memory Map寄存器控制DDS那就得自己写一个AXI4-Lite从机。下面是一个最小状态机只处理写事务并把数据送到DDS的S_AXI写数据端口。这里为了不引入额外IP直接操作IP核的S_AXI信号。module axi_lite_write_only #( parameter DATA_WIDTH 32, parameter ADDR_WIDTH 8 )( input wire S_AXI_ACLK, input wire S_AXI_ARESETN, input wire [ADDR_WIDTH-1:0] S_AXI_AWADDR, input wire S_AXI_AWVALID, output reg S_AXI_AWREADY, input wire [DATA_WIDTH-1:0] S_AXI_WDATA, input wire S_AXI_WVALID, output reg S_AXI_WREADY, output reg S_AXI_BRESP, output reg S_AXI_BVALID, input wire S_AXI_BREADY, // DDS IP 控制寄存器 output reg [31:0] dds_ftw_reg ); localparam IDLE 2d0, WR_ADDR 2d1, WR_DATA 2d2, RESP 2d3; reg [1:0] state; always (posedge S_AXI_ACLK) begin if (!S_AXI_ARESETN) begin state IDLE; S_AXI_AWREADY 1b0; S_AXI_WREADY 1b0; S_AXI_BVALID 1b0; S_AXI_BRESP 1b0; dds_ftw_reg 32d0; end else begin case (state) IDLE: begin S_AXI_AWREADY 1b0; S_AXI_WREADY 1b0; if (S_AXI_AWVALID S_AXI_WVALID) begin S_AXI_AWREADY 1b1; S_AXI_WREADY 1b1; state WR_ADDR; end end WR_ADDR: begin S_AXI_AWREADY 1b0; S_AXI_WREADY 1b0; if (S_AXI_AWADDR 8h10) // 只处理0x10寄存器 dds_ftw_reg S_AXI_WDATA; state RESP; end RESP: begin S_AXI_BVALID 1b1; S_AXI_BRESP 2b00; if (S_AXI_BREADY) begin S_AXI_BVALID 1b0; state IDLE; end end default: state IDLE; endcase end end endmodule这个模块把S_AXI_WDATA在地址为0x10时锁存到dds_ftw_reg你需要把这个寄存器的值直接接到DDS IP核的S_AXI_AWADDR、S_AXI_WDATA等端口上才能生效。但这里有个工程细节DDS IP核的S_AXI接口有它自己的握手要求你单纯把数据送到它地址线上不够必须同时驱动AWVALID、WVALID等信号。上面的状态机只是一个示例框架真实使用时要把dds_ftw_reg的值通过真正的AXI事务写入IP核或者干脆把DDS配成Streaming模式用S_AXIS_CONFIG接口。所以如果你不是必须用总线跳跃到下一章的Streaming方案会更直接。4. 用S_AXIS_CONFIG_TDATA实时更新DDS频率控制字的Streaming例程4.1 为什么Streaming模式更适合高速跳频Streaming模式下DDS Compiler IP核有一个S_AXIS_CONFIG接口数据位宽由“Phase Width Phase Offset Width”决定。通常我们只用频率字不关心相位偏移所以数据位宽就等于相位位宽。比如相位位宽32S_AXIS_CONFIG_TDATA就是32位。这个接口的协议是AXI4-StreamTREADY拉高表示IP核准备好接收TVALID拉高表示数据有效二者同时为高时完成一次配置写入。每次握手更新一次FTW理论上每个时钟周期都能改频率字这是Memory Map接口做不到的。很多老工程师误以为S_AXIS_CONFIG需要像AXI4-Lite那样有基地址和寄存器偏移其实不需要。你只要把计算好的FTW放到TDATA上再拉TVALID等TREADY有效一次配置就完成了。IP核内部会自动把收到的数据加载到相位累加器的增量寄存器。4.2 IP核配置步骤与最小Verilog例程在Vivado中配置DDS Compiler时Phase Increment Programming选择“Programmable”再选“Streaming”。实现页面里Phase Width设为32Output Width设为16其他默认。生成IP核后顶层模块里会有如下端口aclkDDS工作时钟s_axis_config_tvalid配置输入有效s_axis_config_tready配置输入就绪s_axis_config_tdata配置数据宽度32m_axis_data_tvalid输出数据有效m_axis_data_tdata输出波形数据宽度16下面就是我常用的一个Verilog例程它输出一个随时间线性扫频的信号频率从1MHz扫到30MHz步进1MHz每个频率保持10000个时钟周期再切换。module dds_sweep_example #( parameter CLK_FREQ 100_000_000, parameter PHASE_WIDTH 32 )( input wire clk, input wire rst_n, output wire [15:0] dds_out, output wire dds_tvalid ); // DDS Compiler IP核实例 wire [31:0] config_tdata; wire config_tvalid, config_tready; wire [15:0] m_axis_tdata; wire m_axis_tvalid; dds_compiler_0 dds_inst ( .aclk(clk), .s_axis_config_tvalid(config_tvalid), .s_axis_config_tready(config_tready), .s_axis_config_tdata(config_tdata), .m_axis_data_tvalid(m_axis_tvalid), .m_axis_data_tdata(m_axis_tdata) ); // 扫频控制逻辑 reg [31:0] ftw; reg [31:0] cycle_cnt; reg [4:0] index; // 扫频步进索引 // FTW查找表这里列5个频点作为示例 localparam [31:0] FTW_LUT [0:31] { 32d429497, // 1MHz 100MHz 32d858993, // 2MHz 32d4294967, // 10MHz 32d8589935, // 20MHz 32d12884902, // 30MHz // 实际工程可以生成256点表格 }; // 配置握手信号持续拉高tvalid直到tready握手成功 assign config_tvalid (cycle_cnt 0) ? 1b1 : 1b0; assign config_tdata ftw; always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin index 0; cycle_cnt 0; ftw FTW_LUT[0]; end else begin if (config_tready config_tvalid) begin ftw FTW_LUT[index]; // 装入新的频率控制字 index index 1; cycle_cnt 10000; end else if (cycle_cnt 0) begin cycle_cnt cycle_cnt - 1; end else begin cycle_cnt 0; end end end assign dds_out m_axis_tdata; assign dds_tvalid m_axis_tvalid; endmodule这里的关键点是我并没有在每个时钟周期都拉高config_tvalid而是在一次“切换频点”的时刻拉一个周期的高电平之后等TREADY握手完成。若连续拉高TVALIDIP核会连续接收多个FTW最后一个覆盖前面所有所以要么控制TVALID脉冲要么不要把数据快速变化。在一个真实扫频源里通常每个频点驻留若干微秒所以这种单次握手方式是够用的。4.3 数据位宽和通道扩展的坑如果你配置了多通道比如4通道S_AXIS_CONFIG_TDATA的位宽就不是32位而是CHANNEL_NUM * (PHASE_WIDTH PHASE_OFFSET_WIDTH)。一次握手必须把4个通道的频率字全部拼在TDATA上拼接顺序是通道0的低位段通道1的下一段以此类推。假如通道0 FTW为0x11111111通道1 FTW为0x22222222那么TDATA应该等于{22?}具体拼接顺序在PG141中有说明通常低比特位是通道0。建议进入多通道前先单通道跑通再扩展。还有一个容易被忽略的时序问题S_AXIS_CONFIG_TREADY拉高不代表新的FTW已经生效只代表IP核采样了当前TDATA。之后还有几拍流水延迟所以如果你用ILA抓波形发现FTW变化后输出频率并没有立刻变这是正常的。延迟拍数可以在IP核“Latency”选项里看到。5. 例程调试与验证仿真波形、ILA抓取和FPGA资源评估5.1 用Vivado XSim跑一个频率字切换仿真写完例程后第一件事不是上板而是仿真。在Vivado中添加仿真测试文件给DDS IP核做一次引脚级激励。下面是一个最小testbench先写入10MHz的FTW等1000个周期后写入20MHz的FTW观察输出波形频率变化。module tb_dds_dynamic(); reg clk 0; reg rst_n 0; wire [15:0] dds_out; wire dds_tvalid; dds_sweep_example dut ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .dds_out(dds_out), .dds_tvalid(dds_tvalid) ); always #5 clk ~clk; // 100MHz // 这里直接控制内部频率字模拟动态配置过程 reg [31:0] ftw; wire config_tvalid 1b1; wire [31:0] config_tdata ftw; initial begin rst_n 0; #20 rst_n 1; #100; ftw 32d429496730; // 10MHz #1000; ftw 32d858993459; // 20MHz #1000; $finish; end endmodule仿真时需要注意DDS Compiler IP核在仿真模型里是加密的但Vivado会提供行为级仿真模型直接能出波形。你需要在testbench里把DDS IP核的真实端口连上而不是像上面那样直接连内部寄存器。观察m_axis_tdata的波形如果是正弦波且过零周期数符合10MHz/20MHz说明FTW写入成功。如果波形出现毛刺多半是AXI4-Stream握手时序不对比如TVALID和TREADY不同时拉高。5.2 上板调试ILA抓S_AXIS_CONFIG接口仿真通过后上板调试依然会出问题。最常见的是FTW计算错误导致输出频率偏移。我习惯在Vivado里添加ILAIntegrated Logic Analyzer核抓三个信号config_tvalid、config_tready、config_tdata。触发条件设为config_tvalid 1b1抓一次握手过程。看到波形后检查三点握手是否成对TVALID为高时TREADY是否拉高。如果TREADY一直低说明IP核没准备好可能Aclk没接好或者IP核被复位。FTW数值是否和计算一致用ILA的基数显示十六进制对照表格里的值。配置是否重复触发如果你让TVALID持续拉高ILA会看到多个连续握手这可能是你无意中把配置信号接到了周期信号上。另外如果DDS输出直接接DAC还要检查输出位数。16位输出直接送到DAC的16位引脚但要注意DDS输出是有符号数还是无符号数。默认是有符号二进制补码DAC如果接受无符号偏移二进制码需要加一个加法器把15位数据加0x8000。5.3 资源评估和时序优化用Vivado的Report Utilization可以看DDS IP核占用了多少资源。以一个Phase Width32、Output Width16、单通道、Streaming模式的DDS Compiler为例在Artix-7 XC7A35T上大约消耗资源类型使用数量占比XC7A35TLUT200~3001%FF300~4001%DSP48E100%18K BRAM2~42%如果开了多通道或高SFDR资源会上升。FF占用的增加主要是AXI4-Stream握手带来的如果你的设计里寄存器资源紧张可以把配置接口的位宽减小或者选择“Auto”流水线优化。还有一点DDS Compiler内部用BRAM存正弦表Phase Width过大时会把正弦表拆成多个BRAM。你不应该在ILA里抓每个内部信号这会拖慢布线导致时序不收敛。抓顶层信号足够。6. 把动态配置DDS做成FPGA信号发生器一个基于EGO1的完整例程如果你手头有EGO1开发板Artix-7 XC7A35T可以把这个动态配置DDS直接变成一个按键控制的信号发生器。板载100MHz时钟用板上按键切换频率用板载DAC或外接DAC模块输出正弦波。下面是我常用的顶层结构。module ego1_dds_signal_gen( input wire clk_100m, input wire rst_n, input wire key_freq_up, input wire key_freq_dn, output wire [15:0] dac_data ); wire [31:0] ftw; wire [15:0] dds_out; // 按键消抖后每按一次频率步进1MHz reg [31:0] freq_mhz 1; reg [2:0] key_up_sync, key_dn_sync; always (posedge clk_100m or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin key_up_sync 0; key_dn_sync 0; freq_mhz 1; end else begin key_up_sync {key_up_sync[1:0], key_freq_up}; key_dn_sync {key_dn_sync[1:0], key_freq_dn}; if (key_up_sync[1] ~key_up_sync[2]) // 上升沿检测 freq_mhz freq_mhz 1; if (key_dn_sync[1] ~key_dn_sync[2]) freq_mhz freq_mhz - 1; end end assign ftw freq_mhz * 32d4294967296 / 100; dds_compiler_0 dds_inst ( .aclk(clk_100m), .s_axis_config_tvalid(1b1), .s_axis_config_tready(), .s_axis_config_tdata(ftw), .m_axis_data_tvalid(), .m_axis_data_tdata(dds_out) ); // DDS输出是补码转成DAC用的无符号偏移码 assign dac_data {1b0, dds_out[14:0]}; endmodule这个例程里按键每触发一次freq_mhz就加1或减1MHz。FTW直接通过乘法器算出来虽然用了乘法和除法但EGO1上的DSP资源足够不会成为瓶颈。如果你担心频率字更新瞬间出现毛刺可以让config_tvalid在freq_mhz变化时产生一个单脉冲而不是一直拉高。但Vivado的DDS Compiler对流式频率字更新有内部同步处理即使一直拉高也能工作只是多耗一点逻辑。调试这个信号发生器时建议先把DAC数据接到示波器确认波形频率和按键设定一致。然后逐步缩小步进比如改为0.1MHz验证动态更新的最小间隔。最后可以尝试用串口替代按键PC端发指令改频率那就是一个简单的跳频源了。整个例程的关键还在于FTW计算、AXI4-Stream握手、DDS输出位宽匹配只要这三个点不出错动态配置DDS就能稳定工作。本文还有配套的精品资源点击获取