FPGA Sine Wave DAC: 500 Girişli LUT + SPI Master + Digilent WaveForms

Proje Hakkında

TUSAŞ Uzay Sistemleri Mühendislik Merkezi Donanım Birimi'ndeki stajın final projesi. Yaklaşık üç aylık bir süreçte geliştirildi. FPGA üzerinde matematiksel olarak doğru bir sinüs dalgası üretmek, bunu analog çıkışa dönüştürmek ve Digilent Analog Discovery 2 ile ölçüm alarak doğrulamak temel hedefti. SPI haberleşme protokolü, DAC entegrasyonu ve VIO ile canlı frekans kontrolü tek bir tasarımda bir araya getirildi.

Sinüs LUT — Örnekleme Yaklaşımı

FPGA tamamen dijital bir devre olduğundan sinüs gibi sürekli bir fonksiyonu doğrudan hesaplayamaz. Çözüm: sinüs dalgasının bir yarım periyodunu 500 ayrık değer olarak önceden hesaplayıp **LUT (Lookup Table)** içinde sabitlemek.

LUT'taki değerler 16-bit işaretsiz tam sayılardır (0–65535 aralığı). Yarım periyot için hesaplanan 500 değer, `state` sinyaliyle çevrilir:

500 adım tamamlanınca `state` çevrilir; böylece tam bir periyot 1000 adımda oluşur. Her adım arasındaki bekleme süresi `period` parametresiyle belirlenir — **frekans bu şekilde ayarlanır.**

VIO ile Canlı Frekans Kontrolü

`period` parametresi Vivado Hardware Manager üzerinden VIO IP core aracılığıyla gerçek zamanlı değiştirilebilir. Sentez ya da yeniden programlama gerekmez: bir değer girilir, dalga frekansı anında değişir. Frekans formülü:

```

f = clk_freq / (period + 1) / 1000

```

100 MHz sistemde `period = 100` girildiğinde yaklaşık **1 kHz** sinüs üretilir.

SPI Master ve DAC Entegrasyonu

Her LUT adımında güncel 16-bit sinüs değeri SPI üzerinden DAC'a iletilir. SPI paketi 24 bittir:

```

[ "01" — 2 bit komut ] [ sine_data(15:0) — 16 bit veri ] [ "000000" — 6 bit dolgu ]

```

SPI master konfigürasyonu: `CPOL=1`, `CPHA=0`, `clk_div=5` → 20 MHz SPI saati. Durum makinesi dört aşamayı yönetir:

Doğrulama — Digilent Analog Discovery 2

Çıkış, Digilent'in Analog Discovery 2 cihazıyla Waveforms yazılımı üzerinden ölçüldü. Osiloskopta temiz, sürekli bir sinüs dalgası gözlemlendi. Ölçüm: frekans ~20 Hz (seçilen `period` değerine göre), genlik DAC referans voltajı sınırında.

Mimari (3 Bileşen)