基于DSP Builder的高精度正弦信號發生器的設計

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定的要求外，還要求輸出有較寬的頻率范圍和更高的穩定度和準確度。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生器。

1 正弦信號發生器的預期要求及設計原理

該文運用DSP Builder設計正弦波發生器和幅度調制器并將正弦波發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生器。

圖1 正弦波發生器模塊原理圖

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生器產生的波形能夠進行幅度調制。

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