基于Matlab／DSP Builder任意波形信號(hào)發(fā)生器的兩種設(shè)計(jì)

0 引言
在當(dāng)今的科技信息社會(huì)中，尤其是在電子設(shè)計(jì)和信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)中，通常需要一些復(fù)雜、特定頻率的信號(hào)，通常的信號(hào)發(fā)生器難以滿足要求，市場(chǎng)上出售的一些任意信號(hào)發(fā)生器的價(jià)格昂貴，體積較大，不能滿足實(shí)際的需要。
Altera DSP Builder是一款系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)工具，依賴于Mathworks公司的數(shù)學(xué)分析工具Matlab／Simulink，可以在Sireulink中進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)和仿真，同時(shí)又可以通過signalCompiler把Matlab／Simulink的模型文件(．mdl)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的硬件描述語言VHDL，本文用兩種方法，即傳統(tǒng)型的任意信號(hào)發(fā)生器和基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)的任意信號(hào)發(fā)生器，在DSPBuilder的開發(fā)工具下實(shí)現(xiàn)任意信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，不涉及到編程，操作簡(jiǎn)單。

1 傳統(tǒng)型任意信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)原理
傳統(tǒng)型任意信號(hào)發(fā)生器原理比較簡(jiǎn)單，將時(shí)鐘源作為地址發(fā)生器(計(jì)數(shù)器)的輸入時(shí)鐘，通過改變時(shí)鐘源的頻率，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整地址發(fā)生器(計(jì)數(shù)器)產(chǎn)生地址的變化速率，從而達(dá)到改變輸出波形與輸出頻率的目的。當(dāng)?shù)刂钒l(fā)生器輸出值等于待生成波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中波形數(shù)據(jù)的地址時(shí)，待生成波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器將輸出此數(shù)據(jù)到高速D／A轉(zhuǎn)換，將其變?yōu)槟M信號(hào)，經(jīng)低通濾波器后輸出所需波形。D／A的輸出頻率fuot與待生成波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N以及時(shí)鐘源的頻率fclk關(guān)系為：

由式(1)可知，只要改變數(shù)據(jù)波形點(diǎn)數(shù)N就能控制輸出信號(hào)的頻率。
1．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)圖1所示的原理框圖，在Matlab／DSP Builder平臺(tái)上，建立傳統(tǒng)型任意信號(hào)發(fā)生器的Simulink模型，如圖2所示。

在圖2中，Increment Decrement模塊起到一個(gè)地址發(fā)生器的作用，隨著時(shí)鐘的輸入不斷累加輸出，ROM模塊存放待生成信號(hào)的波形數(shù)據(jù)，輸入模塊input通過produt模塊控制信號(hào)的輸出。
利用Matlab強(qiáng)大的仿真功能，方便、快捷地生成給定頻率、周期、脈寬的任意波形數(shù)據(jù)，但生成的數(shù)據(jù)通常是浮點(diǎn)型的，要將其轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制的Hexadecimal(Itel-Form)File(．hex)格式的文件，然后將*．hex文件添加到ROM存儲(chǔ)器中，設(shè)置系統(tǒng)模型的參數(shù)，就可以得到任意信號(hào)波形。

2 基于DDS的任意信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
2．1 設(shè)計(jì)原理
基于DDS的任意信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。由圖3可以看出，相位累加器在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下以頻率控制字長的步長進(jìn)行累加，輸出的線性相位序列和相位控制字相加后對(duì)待生成波形數(shù)據(jù)ROM查表尋址，待生成波形數(shù)據(jù)ROM查找表輸出相應(yīng)波形的離散序列，再由DAC將其轉(zhuǎn)換為模擬量，把存入的數(shù)據(jù)重新整合起來。此過程實(shí)際完成了相位到幅度的轉(zhuǎn)換。

設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為fclk，頻率輸入字為Freword，相位輸入字為Phaseword，N是相位累加器的數(shù)據(jù)位寬(頻率輸入字的數(shù)據(jù)位寬)，相位調(diào)制器的位寬為M，則DDS的輸出信號(hào)頻率為：

輸出信號(hào)的相移為：

由式(2)和式(3)可知，改變頻率輸入字和相位輸入字就可以分別控制輸出信號(hào)的頻率和相位。