FPGA控制DDS_AD9850输出正弦波（“并行spi”）
本次介绍ADI公司的数字频率合成（DDS）芯片——AD9850以及如何使用FPGA控制其输出正弦波。
本文分三个部分讲解：一是AD9850芯片介绍，包括基本引脚功能、驱动时序以及相关注意事项；二是基于FPGA的AD9850的驱动的建模；三是仿真和调试结果。
PART1：AD9850认知
1、模式选择：并行和串行两种。
2、通信协议：实际上属于SPI协议的变种。串行时很好理解，并行时可以理解为在时钟的上升沿将整个字节的数据并行采集，这里将这种spi模式定义为并行spi。
3、寄存器配置：内部包含两个两个寄存器，相位控制寄存器（8bit）和频率控制寄存器（32bit，可分成4个8bit寄存器），总40bit，分为5个控制字写入，从高位到低位每8bit为一个控制字寄存器，分别为W0、W1、W2、W3、W4。相位寄存器（命为W0），其中W0_bit2-bit0=000（无论串并模式，手册中其他组合定义为厂家模式，慎用），实际上，配置W0=8’h00（0°相位）即可，高5位为初相位配置数据位。
W1-W4共4个控制字组成32bit的频率寄存器。故fo=reg_dds*f_osc/2^32.（单位为MHz）
3、并行模式，先后写入的控制字顺序为W0-W1----W4。
4、极限输出：
理论上，fo_max=1/2*f_osc，取f_osc=125MHz时，fo_max=62.5MHz，实际上输出40MHz（芯片手册说的输出f不超过0.33*fosc，125MHz时约41.25MHz）是没有问题的。频率越高，输出的信号幅值越低（正常的，这是因为输出呈sinc（Sa函数）规律）。
4、芯片正常工作时，5V、125MHz晶振，Pidss=380mW（典型值），实际上这个时候芯片是比较烫的，属于正常现象，也符合电流型输出特点（并不像芯片吹的低功耗）。
5、方波输出（可以调节占空比）功能，正常时需要调节模块的滑动变阻器（修改比较器的门限值），虽然手册上声称内部含有高速比较器，但实际上最高输出方波的频率理论上不超过1MHz（内部比较器的输出带宽有限，导致方波的告辞谐波丢失严重，进而出现失真），如果想获得高频的方波，可以采用TLV3502代替内部比较器，这块片子输出50MHz方波是没有问题的。
NOTE：方波测量时最好不开启带宽限制（特别是有些示波器具有数字滤波功能）；dds的测量最好使用频谱分析仪等仪器测试（有条件的选手）。
6、通信协议的时序要求（见下图）
【1】主电路复位
【2】数据写入（并行）
【3】总体时序参数
以上是AD9850的相关介绍，下面介绍FPGA建模。
PART2：fpga建模
Step1：spi主体建模
由前所述，特提出并行spi，值得是在时钟边沿写入一个字节数据，谓之并行，很明显这种形式的spi具有较高的传输效率和速率。这样，结合之前写过的spi时序，进行简单的修改便可完成主体通信时序的建模。具体修改如下：定义并行接口（只需要将sda设置成并行的端口，位数为8）。
//AD9850并行数据
always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
if (!rst_n)
sda <= {D0_WID{1'b0}};
else if ((state == WRITE || state == START) && sclk_cnt == 4'd0)
sda <= sda_buf;
end
always @ (*) begin
case (bit_cnt)
5'd0: sda_buf = sda_buf1[7 : 0];
5'd4: sda_buf = sda_buf1[15 : 8];
5'd3: sda_buf = sda_buf1[23 : 16];
5'd2: sda_buf = sda_buf1[31 : 24];
5'd1: sda_buf = sda_buf1[39 : 32];
default: sda_buf = {D0_WID{1'b0}};
endcase
end
NOTE：本次设计中的40bit的寄存器数据，其中第一个自己数据W0放在了sda_buf1的低8位，实际上，最好将其放在最高位，那么，上述代码的cade语句中，bit_cnt==5'd0时，就应该赋值39:32，其余的按照规律输出即可。
此外，还需要加上一个复位输出功能，如上，模块含有整体复位功能，实际上可以使用fpga主板的复位引脚给之复位（注意，模块复位是高电平，fpga是低电平）。这里，简单的采用一个计数器完成该部分功能，具体不做展示。
Step2：数据供给模块建模
简单说，就是给AD9850的40bit的寄存器的值，即遗传01代码，作为验证程序，这里从简即可。具体的思路是，通过fpga主板上的按键外设作为系统输入，判断按键的输入键值，进行相应译码，得到对应的寄存器目标配置值。本次设计设定了5中输出频率，对应关系如下：
表1 频率值对应16进制数值
| 频率输出（MHz） |
1KHz |
1 |
10 |
20 |
40 |
50 |
| 16进制值 |
00008637 |
020c49ba |
147ae147 |
28f5c28f |
51eb851e |
66666666 |
由于采用了按键，最好加上按键消抖，此模块之前已经做了介绍（代码资料可在我的主页下载，博客中有相关模块的说明）。
Step3：仿真和调试结果
简单仿真，得到的仿真结果基本符合时序要求。以下直接给出调试结果：
图1：1KHz输出
图2：1MHz输出
图3：10MHz输出
图4：20MHz输出
图5：40MHz输出
图6：50MHz输出
通过简单的按键输入，即可使得输出在以上几个频点值之间进行切换输出，且在示波器观察到的波形效果较好，知本次建模完成了相应功能。
最后，习惯给出整体的RTL功能视图：
代码的下载连接如下：https://download.csdn.net/download/huigeyu/11306373