基于DSP和SOPC数字信号发生器的设计

程序中，N值为产生正弦信号一个周期的点数，产生的正弦信号频率与N数值大小及D／A转换频率fDA有关，产生正弦波信号频率f的计算公式为：
f=fDA/N
因此，选择每个正弦周期中的样点数，改变每个采样点之间的延迟，即通过调节N值产生不同频率的波形，同时也可以利用软件改变输出的离散波形值乘以相应的缩放因子A，从而调节波形的幅度。将程序装载到DSP目标芯片中，波形实现结果可以在CCS图形显示界面直观地表示出来(见图4)或者用示波器观察输出结果如图5所示。

输出结果显示，在CCS图形观察窗口得到了频率稳定，信号干扰小，波形失真度较小的正弦信号；利用示波器也可观察到波形较好，稳定的正弦信号。

2 基于SOPC技术设计正弦信号发生器
尽管DSP处理器(如TI的TMS320系列)在过去很长一段时间几乎是DSP应用系统核心器件的惟一选择。但由于其自身的局限性，例如不灵活的硬件结构，使得其很难满足当今迅速发展的DSP应用市场。现代大容量、高速度、内嵌有各种DSP模块的FPGA和相应的SOPC技术出现，使得数字信号处理的实现更加容易。
2．1 DDFS原理
直接数字频率合成(DDFS)电路由系统时钟、相位累加器、频率累加器、波形查找表、D／A转换器和信号调理电路构成。DDFS的工作原理是在每个时钟周期，用频率累加器以输入频率字FW为步进进行自增累加，累加结果的高位送相位累加器，并与输入的相位字PW进行累加，相位累加的输出作为波形查找表的地址，从查找表中读出相应的数据送给D／A转换器，最后经过低通滤波器、后级放大等信号调理电路，以形成模拟量波形输出。图6给出系统结构框图。

DDFS的频率输出公式：

式中：N为相位累加器的位宽；M为频率字位宽；Fclk为系统时钟信号。
DDFS通过数控振荡器产生频率、相位可控的正弦波。其优点体现在无需相位反馈控制，频率建立及频率切换较快，可编程且全数字化，控制灵活方便，输出相位连续。如果在相位累加器的位数N足够大时，理论上可以获得很高的分辨精度，应用DDFS还可以产生其他多种调制信号，因此具有极插件电感器高的性价比。
2．2 硬工字电感器件模块设计与仿真
利用DSP BuiIder进行DSP模块设计是SOPC技术的一个组成部分。关键设计过程在Matlab的图形仿真环境Simulink中进行，用图形方式调用DSP Builder和其他Simulink库中，图形模块，构成系统级设计模块，如图7所示。

模块化设计的主要优点在于只要改变模块中的状态字就可以轻松地控制正弦波的频率和相位，不用到程序里修改了，也不需要理解复杂难于掌握的硬件描述语言，真正做到模块化并充分节省设计时间和设计周期。
电路模型设计完成后，可以利用Simulink环境的强大的图形化仿真验证功能，直接进行算法级模型仿真验证，结果如图8所示。由于在Matlab的Simulink中，模型仿真属于系统验证性质的仿真，并不是RTL级仿真，与目标器件和硬件系统没有关系。因此采用Modelsim对设计电路进行功能仿真。Modelsim是Mentor公司杰出的HDL仿真工具，以其强大的数字和模拟仿真功能而广泛应用，且仿真结果直观、易懂，如图9所示。
由图8和图9输出波形结果可以看出，采用SOPC方案设计的正弦信号发生器产生的正弦波波形清晰、稳定、相位变化比较连续，且输出相位噪声低。
2．3 系统硬件验证
通过SignaICompiler把设计模型文件转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件。在QuartusⅡ集成环境中，对．vhd文件进行编译、时序仿真，对设计文件进行仿真验证，确定DE2开发板中PIO所对应的输入／输出即引脚锁定；对器件编程并最终下载到目标芯片DE2EP2C35F672C6上，以实现硬磁环电感器件测试；调用Signal-TapⅡ观察硬件测试结果，经D／A转换由示波器观察波形输出，其结果与系统仿真结果相同，从而验证了系统设计的合理性。

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