1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 DSP Builder 的数字移相信号发生器设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 信号发生器是指能产生测试信号的仪器，主要用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号，目前电子领域中 的广泛使用的仪器之一。移相信号发生器则是一类特殊的信号发生器，其产生两路同频信号，一路为零初相的基准信号，另一路则为可进行任意移相的实际信号，以供电路使用。 传统电路中常采用移相网络如阻容移相、变压器移相等实现移相，本文采用直接数字频率合成技术（ DDS）设计数字移相信号发生器，实现频率、幅度可调和移相等功能
2、。 论文首先对直接数字频率合成技术进行介绍，然后概述了 Matlab、 DSP Builder 和 QuartusII 三种集成环境，提出了基于 DDS 技术的数字移相信号发生器的设计方案。首先在 DSP Builder 中进行数字移相信号发生器的模型设计，然后对该模型进行仿真，验证频率、相位的可调性，与理论计算比较，验证设计的正确性。最后将模型进行转换、综合和适配，生成 QuartusII 下的工程与 VHDL 源程序，实现基于 FPGA 的设计。论文还记录和整理了调试过程中的必要波形与数据。 关键词 ：数字移相信号发生器； 直接数字频率合成（ DDS）； DSP Builder - 2 -
3、 Abstract Signal generator is an instrument that can produce test signal and it is mainly used for the parameters of the electrical testing signals. Moreover, it is one of the most widely used instruments in electronics field. Phase shifting generator is a special signal generator that can produce t
4、wo frequency signals. One is reference signal of zero phase. The other is practice signal for any kind of phase and is used for the circuit. Phase shifting network, like RC-delay phase, transformer phase, is frequently applied in traditional circuits. The paper uses DDS to design digital phase shift
5、ing generator to realize the functions of regulating frequency and amplitude and phase. First of all, the paper gives an introduction to DDS, and then summarizes three kinds of integration environment: Matlab, DSP, Builder and QuartusII. Thereby, the paper comes up with design proposal based on DDS.
6、 Firstly, the paper uses DSP Builder to make model design of digital phase shifting generator. Secondly, simulate the model, verify the regulation of frequency and phase, then compare with theoretical computation to verify the correctness. Finally, converse, synthesize and adapt the model and then c
7、ome up with QuartusII and VHDL, and realize the design based on FPGA. The paper also records and classifies the waveform and data of the process. Key Words: Digital phase shifting generator; DDS; DSP Builder - 3 - 目 录 1 引言 . 1 1.1 课题背景和意义 . 1 1.2 论文的内容与组织结构 . 2 2 数字移相原理概述 . 3 2.1 DDS 技术概述 . 3 2.2 数字
8、移相技术概述 . 4 3 设计平台概述 . 5 3.1 MATLAB 集成环境介绍 . 5 3.1.1 Matlab 软件概述 . 5 3.1.2 Simulink 简介 . 6 3.2 DSP BUILDER集成环境介绍 . 7 3.2.1 DSP Builder 平台简述 . 7 3.2.2 DSP Builder 设计流程 . 7 3.3 QUARTUS II 集成环境介绍 . 9 4 基于 DSP BUILDER 的数字移相信号发生器设计 . 10 4.1 数字移相信号发生器建模 . 10 4.2 基于 QUARTUS II 的编译仿真 . 15 5 系统仿真与调试 . 17 5.1
9、数字移相信号发生器波形输出 . 17 6 设计总结 . 20 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 21 - 1 - 1 引言 1.1 课题 背景和意义 信号发生器是指能产生测试信号的仪器，它主要用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。是目前电子领域中的最基本、最普通、最广泛的仪器之一，是工科类电子工程师进行信号仿真实验的最佳工具之一 , 在数控、数字信号处理机、工业控制、自动控制等各个领域得以应用 。 一般的移相信号发生器通常采用移相网络来实现，如阻容移相、变压器移相等，但是这类技术的缺点是输出波形受输入波形影响大，移相操作不方便，移相角度受信号频率和所接负载等因素影响。本文采用直接
10、数字频率合成 1技术设计数字移相信号发生器，能得到频率及相位 精确可调的信号且实现方便，并能实现幅度的可调。 直接数字频率合成 DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)1是一种采用数字化技术、通过控制相位的变化速度、直接产生各种不同频率信号的新型频率合成技术，标志着第三代频率合成技术的出现。直接数字频率合成从相位概念出发直接合成所需波形，有别于其它频率合成方法 ,其优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。 DDS技术的硬件实现平台主要有单片机、 FPGA和 DSP等。 FPGA/CPLD是目前电路系统设计的主要实现硬件之一，也 是 DDS技术的主
11、要实现平台。 本次设计采用直接数字频率合成 (DDS)技术，利用 DSP Builder 建立数字移相信号发生器的模型设计，并在 DSP Builder 平台上完成仿真和编译。利用 DSP Builder 设计数字移相信号发生器，输出两路频率相同、相位差精确可调的正弦信号，并且频率及相位能够快速切换。利用模块化的设计实现 ,省却了繁琐的程序源代码 VHDL 语言编写，并且比传统用单片机实现数字移相信号发生器设计周期短，实现精度高。 - 2 - 1.2 论文的内容与组织结构 围绕课题，主要做了以下工作： 1.熟悉 DSP Builder 平台，熟悉基于 DSP Builder 的一般设计流程；
12、2.了解和熟悉 DDS 技术，查阅相关 DDS 的概念与原理，完成基于 DSP Builder的 DDS 设计； 3.查阅数字移相信号发生器的原理内容，完成基于 DSP Builder 的数字移相信号发生器模块设计，仿真实现输出信号的频率、幅度和相位的调整和移相功能； 4.对设计与调试过程中出现的问题进行整理和分析。 本文总共分六章，第一章为引言部分，简述了本课题研究的背景与意义以及论文的组织结构；第二章为数字移相原理的概述，其中包括直接数字频率合成（ DDS）技术和数字移相技术的概述；第三章概述了课题研究所需的 DSP Builder平台， Matlab 软件以及 Quartus II 集成
13、环境的设计平台；第四章为本论文的重点，详细介绍了数字移相信号发生器的总体设计方案，对于建立的数字移相信号发生器模块进行了系统分析；第五章为本次设计的仿真、调试；第六章概括总结了本次设计中遇到的困难以及解决过程。 - 3 - 2 数字移相原理概述 2.1 DDS 技术概述 直接数字频率合成 DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)是一 种采用数字化技术、通过控制相位的变化速度、直接产生各种不同频率信号的新型频率合成技术，标志着第三代频率合成技术的出现。 其原理是先将正弦波信号数字化，形成一张数据表存入 ROM芯片中，然后可通过 D A转换芯片在计数器的控
14、制下连续地循环输出该数据表，就可获得正弦波信号 2。通过改变相位字输入，就能改变不同的相位，实现移相。应用 DDS技术的优点是具有频率切换时间短，频率分辨率高，频率稳定度高，输出信号的频率和相位可快速程控交换、输出相位连续、容易实现频率、相位和幅度的数控调制等 3。 图 2-1 DDS 基 本结构框图 DDS 是以数控的方式产生频率、相位和幅度可以控制的正弦波，如图 2-1所示为基本 DDS 结构，由相位累加器、相位调制器、正弦 ROM 查找表、 D A转换器构成。相位累加器 4是整个 DDS 的核心，它由一个累加器和一个 N 位相位寄存器组成，每来一个时钟脉冲 clk，相位寄存器以相位步长
15、M 增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，完成相位累加运算，其结果作为正弦查找表的地址，正弦 ROM 查找表内部存有一个完整周期正弦波数字幅度信息，每个查找表- 4 - 地址对应正弦波中 0 360范围的一个相位点，查找表把输入的地址信息映 射成正弦波幅度信号，通过 D A 输出，经低通滤波器后，即可得到正弦波 5。 2.2 数字移相技术概述 所谓的移相 6是指两路同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即为相位的移动。两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。若我们将一个信号周期看作 360，则相差的范围在 0 360之间。例如图 2-2 所示，以 A 信号
16、作为参考， B 信号相对于 A 信号作滞后移相 ，则称 A 超前 B ，或者 B 滞后 A 。 图 2-2 移相示图 实现数字移相的形式有很多种，例如用专用芯片来实现，如 美国 AD 公司生产的 AD9850 芯片，它有 40 位控制字， 32 位用于频率控制， 1 位用于电源休眠控制， 2 位用于选择工作方式，其中 5 位用来进行相位控制 7；还能基于单片机的实现，通过单片机的主程序，在程序的控制下，来实现相位差 8。基于 DDS技术的移相实现，与其他移相方式相 比，具有相位变换连续，频率转换速度快，频率稳定度高等优点。 - 5 - 3 设计平台概述 本章概括介绍课题实现的相关软件集成环境。
17、首先概述 Matlab/Simulink 的相关内容，其次简述了 DSP Builder 集成环境的设计平台以及它的设计流程，最后 简要介绍了 Quartus II 集成环境的开发与使用。 3.1 MATLAB 集成环境介绍 3.1.1 Matlab 软件概述 Matlab 是从事众多工业、科研领域的必备工具，是美国 Mathworks 公司 20世纪 80 年代中期推出的一种数学软件，是一种用于科学工程计算的 高效率的高级语言 9。 MATLAB 最初作为矩阵实验室（ Matrix Laboratory），主要面向用户提供一套非常完善的矩阵运算命令。随着数值运算的演变，它逐渐发展成为各种系统
18、仿真、数字信号处理、科学可视化的通用标准语言。经过 Mathworks 公司 20余年的开发扩充和不断的完善，如今已经发展成为了一款适合多科学应用，功能强大的大型系统软件，而且 Matlab 软件作为一些课程的基本仿真计算与设计工具，比如线性代数，控制理论，数理统计，数字信号处理等，成为了大学学习的必修内容。 Matlab 由主包和功能各异 的工具箱组成，最基本的数据结构是矩阵，即操作对象是以矩阵为单位的 10。 Matlab 的核心是一个基于矩阵运算的快速解释程序，首先它提供了一个开放式的集成环境，用户可以运行系统提供的很多命令，包括图形的绘制，数值的计算等，接着它以一种交互式接受用户输入的
19、各种指令，然后输出计算结果。 Matlab 有数值计算，符号计算，优化工具，数据分析和可视化， “活 ”笔记本，非线性动态系统建模与仿真等庞大功能，它相较于其他高级语言（如 C+、 C、Fortran、 Basic 和 Pascal等）有一些无可比拟的优点，如编程效率高， 界面友好、用户使用方便，语音简单，内涵丰富，智能化程度高等，因此被称为 “科学便笺式 ”的科学工程计算语言，用它编写程序，犹如在一张演算纸上排列公式和求解问题一样高效率 10。 - 6 - 3.1.2 Simulink 简介 Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是一
20、种基于 MATLAB 的框图设计环境，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境 10。 Simulink 支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，它也支持多速率系统，也就是系统中 的不同部分具有不同的采样速率 10。为了创建动态系统模型， Simulink 提供了友好的图形界面（ GUI），模型由模块组成的框图来表示。用户完成这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作，建模就像用纸和笔来画一样简单，与传统的仿真软件包相比，显得更加快捷、更直接明了，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，基于这些优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。整个 Simulink 的模块库浏览器如图 3-1 所 示。 图 3-1 Simulink 模块库浏览器
