基于Matlab／DSP Builder任意波形信号发生器的两种设计

0 引言
    在当今的科技信息社会中，尤其是在电子设计和信号测试系统中，通常需要一些复杂、特定频率的信号，通常的信号发生器难以满足要求，市场上出售的一些任意信号发生器的价格昂贵，体积较大，不能满足实际的需要。
    Altera DSP Builder是一款系统级的设计工具，依赖于Mathworks公司的数学分析工具Matlab／Simulink，可以在Sireulink中进行图形化设计和仿真，同时又可以通过signalCompiler把Matlab／Simulink的模型文件(．mdl)转换成相应的硬件描述语言VHDL，本文用两种方法，即传统型的任意信号发生器和基于直接数字频率合成(DDS)的任意信号发生器，在DSPBuilder的开发工具下实现任意信号发生器的设计，不涉及到编程，操作简单。

1 传统型任意信号发生器的设计
1．1 设计原理
    传统型任意信号发生器原理比较简单，将时钟源作为地址发生器(计数器)的输入时钟，通过改变时钟源的频率，可以实现调整地址发生器(计数器)产生地址的变化速率，从而达到改变输出波形与输出频率的目的。当地址发生器输出值等于待生成波形数据存储器中波形数据的地址时，待生成波形数据存储器将输出此数据到高速D／A转换，将其变为模拟信号，经低通滤波器后输出所需波形。D／A的输出频率fuot与待生成波形数据存储器的波形数据点数N以及时钟源的频率fclk关系为：
   

    由式(1)可知，只要改变数据波形点数N就能控制输出信号的频率。
1．2 系统设计
   根据图1所示的原理框图，在Matlab／DSP Builder平台上，建立传统型任意信号发生器的Simulink模型，如图2所示。

   在图2中，Increment Decrement模块起到一个地址发生器的作用，随着时钟的输入不断累加输出，ROM模块存放待生成信号的波形数据，输入模块input通过produt模块控制信号的输出。
    利用Matlab强大的仿真功能，方便、快捷地生成给定频率、周期、脉宽的任意波形数据，但生成的数据通常是浮点型的，要将其转换为十六进制的Hexadecimal(Itel-Form)File(．hex)格式的文件，然后将*．hex文件添加到ROM存储器中，设置系统模型的参数，就可以得到任意信号波形。

2 基于DDS的任意信号发生器的设计
2．1 设计原理
    基于DDS的任意信号发生器结构框图如图3所示。由图3可以看出，相位累加器在系统时钟的控制下以频率控制字长的步长进行累加，输出的线性相位序列和相位控制字相加后对待生成波形数据ROM查表寻址，待生成波形数据ROM查找表输出相应波形的离散序列，再由DAC将其转换为模拟量，把存入的数据重新整合起来。此过程实际完成了相位到幅度的转换。

    设系统时钟为fclk，频率输入字为Freword，相位输入字为Phaseword，N是相位累加器的数据位宽(频率输入字的数据位宽)，相位调制器的位宽为M，则DDS的输出信号频率为：
   

    输出信号的相移为：
   

    由式(2)和式(3)可知，改变频率输入字和相位输入字就可以分别控制输出信号的频率和相位。[!--empirenews.page--]
2．2 系统设计
    根据图3所示的框图，在Matlab／DSP Builder平台上，建立基于DDS的任意信号发生器的Simulink模型，如图4所示。

    该系统中，共有三个输入：Freword为频率字输入、Phaseword为相位字输入、input为信号输入控制模块。ROM模块中装载要输出信号的波形数据。input模块通过product模块控制信号的输，Delay模块，Parallel Adder Subtractor模块和Phasewordl模块构成相位累加器，相位调制部分由Parallel Adder Subtractorl模块和Bus Conversion构成，加法器使用了Pipeline，内部已含寄存器，因而加法器出来后就无需再加延时模块。选择频率字为8 000 000，相位字输入为100。
    同样，利用Matlab将待生成波形的．hex文件添加到ROM存储器中，设置各模块的参数，即可得到所需的信号波形。

3 系统仿真
    只要将待生成信号的波形数据添加到图2或图4的ROM模块中，设置各模块的参数，就可得到任意所需波形，本文只给出传统方法下生成的正弦波信号和基于DDS生成的三角波信号的系统仿真。
3．1 传统型正弦波信号的系统仿真
    由QuartusⅡ生成的正弦波信号的．hex文件如表1所示。

    将正弦波的数据．hex文件添加到图2的ROM模块中，设置系统模型的参数，系统仿真结果如图5所示。

3．2 基于DDS的三角波信号的系统仿真
    由QuartusⅡ生成的三角波信号的．hex文件如表2所示。

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    将三角波的数据．hex文件添加到图4的ROM模块中，设置系统模型的参数，系统仿真结果如图6所示。

4 系统的硬件实现与测试
    双击图2或图4中SignalCompiler，在弹出的对话框中点击“Compile”，DSP Builder将会调用QuartusⅡ进行全程编译，这个过程包括创建QuartusⅡ工程、综合和适配。会自动将mdl文件转换为QuartusⅡ能够识别的VHDL源程序。
    打开QuartusⅡ9．O环境，打开DSP Builder自己建立好的工程，最后选择cycloneⅡ系列的FPGA芯片EP2C8Q208C，锁定好相关引脚，再将．sof文件下载到EP2C8Q208C芯片中。
    完成下载后，传统的方法是用逻辑分析仪接到FPGA的管脚上进行硬件测试，该方法繁琐且复杂，为解决此问题，可使用QuartusⅡ自带的嵌入式逻辑分析仪SignalTapⅡ进行硬件测试。
    打开SignalTapⅡ，设置好所要观测信号的触发状态、采样时钟和数据深度，之后将文件保存为．stp文件，并添加到系统工程里，然后启动完整编译。
    对传统方法下生成的正弦波信号和基于DDS生成的三角波信号进行SignalTapⅡ硬件测试，结果如图7所示。对比图7，图5和图6，表明两种设计方法的正确性。

    将硬件电路接入高速D／A转换电路，用示波器检测D／A输出，会看到相应波形。

5 结语
    基于Matlab／DSP Builder的系统实现方案形象直观，本文采用两种方法在DSP Builder下实现了任意信号发生器的设计，通过Simulink的系统仿真和SignalTapⅡ的硬件测试，证实了设计方法的正确性，取得了预期的效果。
    DSP Builder作为Matlab／Simulink中的一个工具箱，使得用FPGA设计DSP系统完全可以通过Simulink的图形化界面进行，使用DSPBuil-der设计任意波形信号发生器的所有基本组件都已经存在，只需要对每个组件设置参数后逐一连接就可以，从而使得一个复杂电子系统设计变得相当容易而且直观，利用SignalCompiler很容易将模型转换为VHDL语言，不涉及到编程，操作更简单，开发速度大大加快。