基于DSP Builder的高精度正弦信號發(fā)生器的設計

閆 璞

（蘭州理工大學技術工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

在現代電子測量中，人們對于信號源的要求不斷提高，除了頻率準確度和穩(wěn)定的要求外，還要求輸出有較寬的頻率范圍和更高的穩(wěn)定度和準確度。本論文基于DSP Builder設計了一款新型高精度、高性能、寬頻率范圍的正弦信號發(fā)生器。

1 正弦信號發(fā)生器的預期要求及設計原理

該文運用DSP Builder設計正弦波發(fā)生器和幅度調制器并將正弦波發(fā)生器產生的正弦波通過幅度調制器進行調制，預期達到的要求見表1。

表1 預期要求

本設計中，為了一步步羅列DSP Builder 基于手動流程的的使用方法，我們列舉了一個正弦波發(fā)生模塊的設計，并且這個正弦波是可控的。如圖1所示是一個正弦波發(fā)生器。

圖1 正弦波發(fā)生器模塊原理圖

1.1 設計流程

設計流程如下：1）打開 Matlab工作環(huán)境。2）完成工作庫的建立。3）了解 simulink 庫管理器。4）simulink 的模型文件。5） 放置 SignalCompiler。6）添加 Increment Decrement模塊。7）設置 IncCount。8）添加 SinLUT 模塊：（ LUT）。9）添加 delay 模塊 ：（delay）。10）添加 SinCtrl模塊 ：（input）。11）放置 Product 模塊。12）放置輸出端口 SinOut。13）設計文件存盤。

1.2 仿真 Simulink 模型

具體步驟如下：1）加入仿真步進模塊。2）Step 模塊參數設置。3）添加SCOPE模塊：（scope）。4）設置仿真參數。5）啟動仿真。6）將輸出數據設計為無符號類型。

仿真結果如圖2所示，可以看出整個波形在 0 以上。

圖2 無符號輸出波形

1.3 SignalCompiler 的使用

把設計轉到硬件上加以實現，需要在Simulink 中完成仿真驗證之后，據此可以獲得針對 FPGA 的 VHDL RTL 代碼。具體步驟如下：1）分析當前的模型。2）對當前模型進行綜合。3）生成測試文件。

1.4 使用 ModelSim 進行 RTL 級仿真

實際上針對具體的硬件結構生成的 VHDL 描述是 RTL級的，而算法級（系統(tǒng)級）的模型仿真是在 Matlab 的 Simulink中進行的。仿真結果如圖3所示。

圖3 Sinout 工程的 ModelSim 仿真波形（RTL 級仿真）

1.5 使用 QuartusII 實現時序仿真

使用 ModelSim 進行 RTL 級仿真的結果對于電路全部的硬件特性不能更精確的反映，其原因在于該仿真知識功能的仿真，所以使用QuartusII 實現時序仿真是非常必要。

1.6 硬件測試與硬件實現

在完成了整個系統(tǒng)的仿真后接下來便要進行硬件測試，方法如下：

首先打開QuartusII進行管腳鎖定（Pin）；其次是將實測結果與使用 QuartusII 實現時序仿真的結果進行比較。最后為了更深入地完成系統(tǒng)的測試，可以測定芯片內的實時波形，但這需要借助嵌入式邏輯分析儀 SignalTapII。

1.7 幅度調制模型的設計

我們可以通過DSP Builder設計一個幅度調制模型用正弦波發(fā)生器產生的波形進行幅度調制。其具體設計過程與正弦波發(fā)生器的設計相似，對于各個模塊的放置過程這里不再贅述。

1.8 幅度調制模型的仿真

1.8.1 幅度調制模型的Simulink仿真

具體步驟如下：1）在Simulation菜單中選中Configuation Parameters。2）在對話框Stop time中輸入0.000004，使采樣顯示200。3）點擊確定。4）啟動模擬。5）觀看結果。

1.8.2 幅度調制模型的RTL仿真

生成幅度調模型的模擬測試文件。

在ModelSim中進行RTL仿真。

1.8.3 使用 QuartusII 實現綜合和編譯設計

執(zhí)行下列步驟來自動綜合和編譯：1）雙擊模型中的SignalCompiler模塊。2）在顯示的對話框中，點擊Compile。短暫延時后，開始自動綜合和編譯。3）完成后點擊OK關閉SignalCompiler對話框。

完成在Quartus II中進行的編譯設計。

1.9 幅度調制模塊與正弦波發(fā)生器連接進行幅度調制

在生成幅度調制模塊并成功進行完功能仿真之后，接下來就可以將設計的正弦波發(fā)生器與幅度模塊相連進行幅度調制了，在連接好電路之后就可以進行Simulink仿真了，設置好仿真參數之后點擊Simulation下的Start進行仿真，其仿真波形如圖4所示。

圖4 仿真波形

通過觀察圖4的波形可見，正弦波發(fā)生器產生的正弦波通過幅度調制模塊進行了脈幅調制，達到了預期的設計目的。

2 結論

筆者就是基于DSP Builder設計了一款新型高精度、高性能、寬頻率范圍的正弦信號發(fā)生器。歸納起來主要做了如下幾方面工作：1）根據設計要求，采用DSP builder 模型化設計，由階梯信號發(fā)生模塊、正弦函數值的查找表模塊、延時模塊、乘法模塊、輸出模塊以及D/A獲得正弦波的輸出模擬信號。2）通過DSP builder設計一個幅度調制模型使正弦波發(fā)生器產生的波形能夠進行幅度調制。

系統(tǒng)通過調試后，能成功產生正弦波形信號，其精度高、波形穩(wěn)定、失真小，基本滿足了設計要求。