广西大学行健文理学院
课程设计报告
课程名称：FPGA课程设计
设计题目： 正交信号发生器
系 别： 通信与控制工程系
专 业： 电子信息工程 班 级： 10级电子信息工程3班 学生姓名: 学 号:
起止日期: 2013年6月8日 ~ 2012年6月18日 指导教师: 教研室主任：
摘 要
EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处
理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。本文详细介绍了基于FPGA的DSP开发技术，提供了一种设计正交信号发生器的方案。在信号检测和信号处理中经常需要正交信号。由于正交方波信号较易得到，所以工程人员进行相关检测时所采用的正交信号源通常为方波信号。但通过对方波信号作傅立叶分析可知，这种信号含有丰富的谐波分量，严重影响相关检测中的接收精度及检测灵敏度。采用可控的正、余弦波作正交信号，就可以有效地避免谐波问题。本文采用Matlab／DSP Builder建立模型来实现正交信号发生器，使用自顶向下的设计方法，设计简单，能够提高设计效率。利用DSP Builder 建立起数学模型，实现了模块化的设计变得直观。在Simulink中进行仿真验证，通过Signal Compiler 将模型转换成硬件描述语言，经过QuartusⅡ仿真正确后，下载到FPGA里，输出的正交信号能灵活的调频，调相，调幅，实现全数字化设计。该方案简化了硬件设计的难度。对各个模块的参数进行简单的设置就能完成复杂的电子设计系统设计。
关键词：EDA技术；DSP Builder；正交信号发生器；Signal Compiler
目 录
设计要求 ................................................................. 2 1、方案论证与对比 ........................................................ 2
1.1方案一 ............................................................ 2 1.2 方案二 ............................................................ 2 1.3方案选择 .......................................................... 3 2、系统总体方案设计及实现 ................................................ 3
2.1正交信号发生器设计 ................................................ 3
2.1.1 DDS原理及设计 ............................................... 3 2.1.2 频率字输入的计算 ............................................ 7 2.1.3 输出波形峰峰值的计算 ........................................ 7 2.1.4 相位差的计算 ................................................ 7 2.1.5正交信号发生器电路模型图 ..................................... 7 2.1.6 Simulink模型的仿真 .......................................... 9 2.2 SignalCompiler的使用 ............................................ 10
2.2.1 分析当前的模块 ............................................. 10 2.2.2 设置SignalCompiler ......................................... 10 2.2.3 把模型文件MDL 转换成VHDL .................................. 10 2.2.4 综合 ....................................................... 10 2.2.5 QuartusⅡ试配 .............................................. 10 2.3嵌入式锁相环的设计 ............................................... 10 2.4 引脚的锁定 ....................................................... 11 3、设计结果与结论 ....................................................... 11 4、结束语及致谢 ......................................................... 11 5、元器件及仪器设备明细表 ............................................... 13 6、参考文献 ............................................................. 13 7、程序清单 ............................................................. 14
正交信号发生器
设计要求
能通过按键进行幅度控制，输出信号的频率在10—50kHZ,或者固定在某一频率上，要求峰-峰值大于3V，且输出波形不失真。
1、方案论证与对比
1.1方案一
该方案根据矩阵式键盘输入给FPGA送出频率控制字与相位控制字，用于设定输出正弦波的频率与相位。高速D／A转换器用于正弦波的DA转换。FPGA构成DDS的核心部分，用于接收送来的频率字与相位字，同时给DA转换器输出正弦波数据。采用字符型液晶显示屏实时显示输出的频率与相位。该方案需借助QuartusⅡ来完成。
按键控制
频率字输入 DDS相位累加器 A路输出 D/A转换电路A 相位字输入 幅度控制 图1 方案一原理框图
1.2 方案二
该方案是基于DSP Builder与DDS并借助于MATLAB进行设计的。首先在Matlab中DSP Build的Simulink中进行建模，系统仿真通过SignalCompiler将模型设计文件转换成相应的硬件描述语言（VHDL），在QuartusⅡ平台上进行综合生成网表文件，并
适配下载至FPGA。在这个方案中，有两路正弦信号，一路为参考信号，另一路是可数控的移动信号，并且这两路可同步进行幅度和频率数控，即对于这两路输出的正弦信号，在相位、频率和幅度3个参数上都能完成等步长数控步进，而且还能对指定的参数进行设定。
频率字输入 DDS相位累加器 相位字输入 信号输出 加法器 查找表 信号输出 查找表 图2 方案二原理框图
1.3方案选择
方案一是基于QuartusⅡ，在设计的过程中，利用VHDL完成电路设计，必须借助于EDA工具中的综合器、适配器、时序仿真器和编程器等工具进行相应的处理，才能使此项设计在FPGA上完成硬件实现并得到硬件测试，在进行HDL文本输入设计流程中比较繁琐，而且容易出错。而方案二是基于DSP Builder进行手动流程设计，在设计过程中，DSP Builder会自动完成VHDL的转换、综合、适配，而不像方案一那样要进行HDL文本输入，这样的话就能避免文本输入过程中的绝大多数错误。 因而我们选择方案二。
2、系统总体方案设计及实现
2.1正交信号发生器设计
2.1.1 DDS原理及设计
直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesis，DDS)是一种从相位概念出发直接合成所需要的波形的新的全数字频率合成技术，该技术具有频率分辨率高、频率变化速