基于DSP Builder的高精度正弦信号发生器的设计

闫 璞

（兰州理工大学技术工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 前言

在现代电子测量中，人们对于信号源的要求不断提高，除了频率准确度和稳定的要求外，还要求输出有较宽的频率范围和更高的稳定度和准确度。本论文基于DSP Builder设计了一款新型高精度、高性能、宽频率范围的正弦信号发生器。

1 正弦信号发生器的预期要求及设计原理

该文运用DSP Builder设计正弦波发生器和幅度调制器并将正弦波发生器产生的正弦波通过幅度调制器进行调制，预期达到的要求见表1。

表1 预期要求

本设计中，为了一步步罗列DSP Builder 基于手动流程的的使用方法，我们列举了一个正弦波发生模块的设计，并且这个正弦波是可控的。如图1所示是一个正弦波发生器。

图1 正弦波发生器模块原理图

1.1 设计流程

设计流程如下：1）打开 Matlab工作环境。2）完成工作库的建立。3）了解 simulink 库管理器。4）simulink 的模型文件。5） 放置 SignalCompiler。6）添加 Increment Decrement模块。7）设置 IncCount。8）添加 SinLUT 模块：（ LUT）。9）添加 delay 模块 ：（delay）。10）添加 SinCtrl模块 ：（input）。11）放置 Product 模块。12）放置输出端口 SinOut。13）设计文件存盘。

1.2 仿真 Simulink 模型

具体步骤如下：1）加入仿真步进模块。2）Step 模块参数设置。3）添加SCOPE模块：（scope）。4）设置仿真参数。5）启动仿真。6）将输出数据设计为无符号类型。

仿真结果如图2所示，可以看出整个波形在 0 以上。

图2 无符号输出波形

1.3 SignalCompiler 的使用

把设计转到硬件上加以实现，需要在Simulink 中完成仿真验证之后，据此可以获得针对 FPGA 的 VHDL RTL 代码。具体步骤如下：1）分析当前的模型。2）对当前模型进行综合。3）生成测试文件。

1.4 使用 ModelSim 进行 RTL 级仿真

实际上针对具体的硬件结构生成的 VHDL 描述是 RTL级的，而算法级（系统级）的模型仿真是在 Matlab 的 Simulink中进行的。仿真结果如图3所示。

图3 Sinout 工程的 ModelSim 仿真波形（RTL 级仿真）

1.5 使用 QuartusII 实现时序仿真

使用 ModelSim 进行 RTL 级仿真的结果对于电路全部的硬件特性不能更精确的反映，其原因在于该仿真知识功能的仿真，所以使用QuartusII 实现时序仿真是非常必要。

1.6 硬件测试与硬件实现

在完成了整个系统的仿真后接下来便要进行硬件测试，方法如下：

首先打开QuartusII进行管脚锁定（Pin）；其次是将实测结果与使用 QuartusII 实现时序仿真的结果进行比较。最后为了更深入地完成系统的测试，可以测定芯片内的实时波形，但这需要借助嵌入式逻辑分析仪 SignalTapII。

1.7 幅度调制模型的设计

我们可以通过DSP Builder设计一个幅度调制模型用正弦波发生器产生的波形进行幅度调制。其具体设计过程与正弦波发生器的设计相似，对于各个模块的放置过程这里不再赘述。

1.8 幅度调制模型的仿真

1.8.1 幅度调制模型的Simulink仿真

具体步骤如下：1）在Simulation菜单中选中Configuation Parameters。2）在对话框Stop time中输入0.000004，使采样显示200。3）点击确定。4）启动模拟。5）观看结果。

1.8.2 幅度调制模型的RTL仿真

生成幅度调模型的模拟测试文件。

在ModelSim中进行RTL仿真。

1.8.3 使用 QuartusII 实现综合和编译设计

执行下列步骤来自动综合和编译：1）双击模型中的SignalCompiler模块。2）在显示的对话框中，点击Compile。短暂延时后，开始自动综合和编译。3）完成后点击OK关闭SignalCompiler对话框。

完成在Quartus II中进行的编译设计。

1.9 幅度调制模块与正弦波发生器连接进行幅度调制

在生成幅度调制模块并成功进行完功能仿真之后，接下来就可以将设计的正弦波发生器与幅度模块相连进行幅度调制了，在连接好电路之后就可以进行Simulink仿真了，设置好仿真参数之后点击Simulation下的Start进行仿真，其仿真波形如图4所示。

图4 仿真波形

通过观察图4的波形可见，正弦波发生器产生的正弦波通过幅度调制模块进行了脉幅调制，达到了预期的设计目的。

2 结论

笔者就是基于DSP Builder设计了一款新型高精度、高性能、宽频率范围的正弦信号发生器。归纳起来主要做了如下几方面工作：1）根据设计要求，采用DSP builder 模型化设计，由阶梯信号发生模块、正弦函数值的查找表模块、延时模块、乘法模块、输出模块以及D/A获得正弦波的输出模拟信号。2）通过DSP builder设计一个幅度调制模型使正弦波发生器产生的波形能够进行幅度调制。

系统通过调试后，能成功产生正弦波形信号，其精度高、波形稳定、失真小，基本满足了设计要求。