使用DSP_builder設(shè)計(jì)的DDS

摘 要：隨著電子設(shè)計(jì)和通信測(cè)試的飛速發(fā)展，一些具有特定頻率、特殊規(guī)律的信號(hào)在設(shè)計(jì)和測(cè)試過(guò)程中不可或缺，而市場(chǎng)上出售的信號(hào)發(fā)生器往往由于各種因素不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，使用FPGA器件設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器可以勝任不同要求的任意信號(hào)發(fā)生器。

Altera DSP_builder是一款基于Matlab的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具，依賴(lài)于Matlab/Simulink進(jìn)行圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能仿真，其最大特點(diǎn)在于可以通過(guò)signalCompiler直接將設(shè)計(jì)生成的模型文件（.mdl）轉(zhuǎn)換成硬件描述語(yǔ)言VHDL，進(jìn)而在QuartusII等軟件上做更復(fù)雜精確地仿真，并生成.sof文件下載到芯片上使用。開(kāi)發(fā)過(guò)程不涉及任何編程，圖形化設(shè)計(jì)界面一目了然，是一種方便快捷的設(shè)計(jì)方式。

關(guān)鍵詞：FPGA；DSP_builder；DDS；SignalCompile

1 DDS設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Frequency Synthesis ，簡(jiǎn)稱(chēng)DDS）是以采樣定理為基本原理，根據(jù)相位間隔對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行取樣、量化、編碼，然后儲(chǔ)存在EEPROM中構(gòu)成一個(gè)正弦查詢(xún)表，通過(guò)查表法產(chǎn)生波形。本設(shè)計(jì)基于DDS的基本原理，在時(shí)鐘脈沖fc的控制下，對(duì)輸入頻率控制字K進(jìn)行累加，當(dāng)累加滿(mǎn)量時(shí)產(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對(duì)應(yīng)于該合成周期信號(hào)的相位，并且這個(gè)相位是在0～2π范圍內(nèi)周期性的變化。相位累加器位數(shù)為N，對(duì)應(yīng)于2π的相位， 最大輸出為2N-1，累加一次就輸出一個(gè)相應(yīng)的相位碼，將這個(gè)相位碼作為查找表地址，通過(guò)查表得到正弦信號(hào)的幅度輸出，然后經(jīng)高速D/A轉(zhuǎn)換成模擬量并通過(guò)低通濾波器濾除不需要的取樣分量，輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

下圖為在Matlab/DSP_builder11.0平臺(tái)建立DDS的Simulink模型：

系統(tǒng)模型圖

系統(tǒng)的三個(gè)輸入分別任頻率控制字輸入Freqword、相位控制字Phaseword、信號(hào)輸入控制模塊input。Input通過(guò)乘法器product模塊控制信號(hào)輸出，相位累加器模塊由deiay模塊、Parallel Adder Subtractor模塊和Phaseword1模塊組成，相位調(diào)制模塊由Parallel Adder Subtractor1模塊和Bus Conversion組成，其中加法器使用Pipeline，內(nèi)部包含寄存器，最后由DDSout輸出波形。

把輸出的8位數(shù)字信號(hào)接入高速DA轉(zhuǎn)換模塊，就可以用示波器觀察輸出波形。

1.2.2正弦查找表模塊設(shè)計(jì)

正弦查找表有多種設(shè)計(jì)方式，本設(shè)計(jì)采用調(diào)用Altera DSP_builder元件庫(kù)中的LUT模塊實(shí)現(xiàn)，取相位調(diào)制高6位作為查找表地址。正弦查找表部分還可以調(diào)用ROM模塊實(shí)現(xiàn)，在使用ROM模塊時(shí)，需要先編寫(xiě)查找表.mif或.hex文件，然后在ROM設(shè)置中指定文件位置即可。

以下是Matlab生成正弦查找表的代碼：

width=8； %數(shù)據(jù)寬度8位；

depth=2^width；

N=0：1：depth-1；

s=sin（pi*N/depth）； %計(jì)算0～pi/2的Sin值；

fidc=fopen（'dds1.mif'，'wt'）； %以"wt"的形式打開(kāi)，＼n為換行

% 寫(xiě)入 dds.mif %

fprintf（fidc，'width=%d；＼n'，width）；

fprintf（fidc，'depth=%d；＼n'，depth）；

fprintf（fidc，'address_radix=uns；＼n'）；

fprintf（fidc，'data_radix = uns；＼n'）；

fprintf（fidc，'content begin＼n'）；

for（x=1：depth）；

fprintf（fidc，'%d：%d；＼n'，x-1， round（ （depth/2-1）*sin（pi*（x-1）/（depth/2）） + depth/2） ）；

end

fprintf（fidc，'end；'）；

fclose（fidc）；

2 系統(tǒng)仿真

設(shè)置相位控制字0，頻率控制字9000000，信號(hào)輸入控制125，用Matlab Sinulink對(duì)電路進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)功能仿真，觀察到系統(tǒng)輸出波形如下：

3 硬件實(shí)現(xiàn)

雙擊原理圖中的SignalCompiler工具，在彈出對(duì)話框中設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊Compile，DSP_builder將自動(dòng)調(diào)用QuartusII進(jìn)行編譯。過(guò)程中會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建QuartusII工程并綜合適配，生成QuartusII能識(shí)別的VHDL源程序。在QuartusII中打開(kāi)工程，編譯通過(guò)，分配管腳。生成的.sof文件可下載到FPGA芯片，將輸出的數(shù)字信號(hào)接入高速DA轉(zhuǎn)換模塊就可以觀察到輸出波形。

4 結(jié)束語(yǔ)

在本設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的全部基本組件模塊都已經(jīng)存在，我們僅僅需要逐一連接并設(shè)置好參數(shù)即可，簡(jiǎn)單直觀的實(shí)現(xiàn)了一個(gè)較為復(fù)雜的電子系統(tǒng)。在更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，還可以通過(guò)SubsystemBuilder調(diào)用編寫(xiě)好的VHDL源程序。SignalCompile工具直接把設(shè)計(jì)的.mdl文件轉(zhuǎn)換為VHDL語(yǔ)言，從而使設(shè)計(jì)過(guò)程不涉及編程，操作更簡(jiǎn)單，過(guò)程更直觀，更容易查找修正設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。使用DSP_builder的設(shè)計(jì)極大簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短設(shè)計(jì)周期，提高開(kāi)發(fā)效率，值得我們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中加以利用。

作者簡(jiǎn)介

王志強(qiáng)（1991-），男，湖北省宜昌市，職稱(chēng)：學(xué)生，學(xué)歷：本科，研究方向：電子信息工程。