基于DSP的信發(fā)生器設計..

1、基于DSP的信號發(fā)生器設計設計題目：正弦信號發(fā)生器專業(yè)班級電科ii級-1班學號311108001417學生姓名王博指導教師王科平摘要正弦信號發(fā)生器是信號中最常見的一種，它能輸出一個幅度可調、頻率可調的正弦信號，在這些信號發(fā)生器中，又以低頻正弦信號發(fā)生器最為常用，在科學研究及生產(chǎn)實踐中均有著廣泛應用。目前，常用的信號發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構成的，當這種模擬信號發(fā)生器用于低頻信號輸出往往需要的RC值很大，這樣不但參數(shù)準確度難以保證，而且體積大和功耗都很大，而由數(shù)字電路構成的低頻信號發(fā)生器，雖然其低頻性能好但體積較大，價格較貴，而本文借助DSP運算速度高，系統(tǒng)集成度強的優(yōu)勢設計的這種信號發(fā)生器，

2、比以前的數(shù)字式信號發(fā)生器具有速度更快，且實現(xiàn)更加簡便。正弦信號發(fā)生器是信號中最常見的一種，它能輸出一個幅度可調、頻率可調的正弦信號，在這些信號發(fā)生器中，又以低頻正弦信號發(fā)生器最為常用，在科學研究及生產(chǎn)實踐中均有著廣泛應用。目前，常用的信號發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構成的，當這種模擬信號發(fā)生器用于低頻信號輸出往往需要的RC值很大，這樣不但參數(shù)準確度難以保證，而且體積大和功耗都很大，而由數(shù)字電路構成的低頻信號發(fā)生器，雖然其低頻性能好但體積較大，價格較貴，而本文借助DSP運算速度高，系統(tǒng)集成度強的優(yōu)勢設計的這種信號發(fā)生器，比以前的數(shù)字式信號發(fā)生器具有速度更快，且實現(xiàn)更加簡便。i目錄一、概述3二、系統(tǒng)

3、設計42.1總體方案42.2正弦波信號發(fā)生器4三、硬件設計53.1硬件組成部分53.2控制器部分63.4人機接口部分7四、軟件設計84.1流程圖84.2正弦信號發(fā)生器程序清單9五、總結14參考文獻14、概述數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來,隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，信號處理已經(jīng)在通信等領域得到極為廣泛的應用。圖一

4、是數(shù)字信號處理系統(tǒng)的簡化框圖。此系統(tǒng)先將模擬信號轉換為數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字信號處理后，再轉換成模擬信號輸出。其中抗混疊濾波器的作用是將輸入信號x(t)中高于折疊頻率的分量濾除，以防止信號頻譜的混疊。隨后，信號經(jīng)采樣和A/D轉換后，變成數(shù)字信號x(n)。數(shù)字信號處理器對x(n)進行處理，得到輸出數(shù)字信號y(n),經(jīng)D/A轉換器變成模擬信號。此信號經(jīng)低通濾波器，濾除不需要的高頻分量，最后輸出平滑的模擬信號y(t)。圖1.1數(shù)字信號處理系統(tǒng)簡化框圖數(shù)字信號處理是以眾多學科為理論基礎的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學領域，微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號處理的基本工具，與網(wǎng)絡理論、

5、信號與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關。近來新興的一些學科，如人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡等，都與數(shù)字信號處理密不可分?？梢哉f，數(shù)字信號處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎，同時又使自己成為一系列新興學科的理論基礎。二、系統(tǒng)設計2.1總體方案1. 基于DSP的特點，本設計采用TMS320C54X系列的DSP作為正弦信號發(fā)生器的核心控制芯片。2. 用泰勒級數(shù)展開法實現(xiàn)正弦波信號。3. 設置波形時域觀察窗口，得到其濾波前后波形變化圖；4. 設置頻域觀察窗口，得到其濾波前后頻譜變化圖。2.2正弦波信號發(fā)生器正弦波信號發(fā)生器已被廣泛地應用于通信、儀器儀表和工業(yè)控制等領域的信號處理系

6、統(tǒng)中。通常有兩種方法可以產(chǎn)生正弦波，分別為查表法和泰勒級數(shù)展開法。查表法是通過查表的方式來實現(xiàn)正弦波，主要用于對精度要求不很高的場合。泰勒級數(shù)展開法是根據(jù)泰勒展開式進行計算來實現(xiàn)正弦信號，它能精確地計算出一個角度的正弦和余弦值，且只需要較小的存儲空間。本次主要用泰勒級數(shù)展開法來實現(xiàn)正弦波信號。產(chǎn)生正弦波的算法正弦函數(shù)和余弦函數(shù)可以展開成泰勒級數(shù)，其表達式：./、X3X5X7X9sin(x)=x+3!5!7!9!4/、vx2x4x6x8cos(x)二1-+2!4!6!8!取泰勒級數(shù)的前5項，得近似計算式:./、x3x5x7x9sin(x)x+3!5!7!9!x(1丄(1丄(1旦(1旦)2x34x

7、56x78x9/、vx2x4x6x8cos(x)1+2!4!6!8!x2)7x8(1丄(1丄(13x45x6遞推公式：sin(nx)=2cos(x)sin(n-1)x-sin(n-2)xcos(nx)=2cos(x)sin(n-1)x-cos(n-2)x由遞推公式可以看出，在計算正弦和余弦值時，需要已知cos(x)、sin(n-1)x、sin(n-2)x和cos(n-2)x。三、硬件設計3.1硬件組成部分基于DSP的信號發(fā)生器的硬件結構圖如圖3.1所示，它主要由DSP主控制器，輸出D/A通道和人機界面等幾個主要部分組成。圖3.1基于DSP的信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖3.2控制器部分本系統(tǒng)采用TI公司的

8、TMS320LF2407DSP處理器，該器件具有外設集成度高，程序存儲器容量大，A/D轉換精度高，運算速度高，I/O口資源豐富等特點，芯片內部集成有32KB的FLASH程序存儲器、2KB的數(shù)據(jù)/程序RAM，兩個事件管理器模塊（EVE和EVB）、16通道A/D轉換器、看門狗定時器模塊、16位的串行外設接口（SPI）模塊、40個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳（GPIO）以及5個外部中斷和系統(tǒng)監(jiān)視模塊。TMS320LF2407芯片中的事件管理模塊（EV）是一個非常重要的組成部分。SPWM波形的產(chǎn)生和輸出就是由這一部分完成的，它由兩個完全相同的模塊（EVA和EVB）組成，每個模塊都含有2個通用定時

9、器、3個比較器、6至8個PWM發(fā)生器、3個捕獲單元和2個正交脈沖編碼電路（QEP）。由于TMS320LF2407有544字的雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM）；而本系統(tǒng)的程序僅有幾KB，且所用RAM也不多，因此不用考慮存儲器的擴展問題，而對于TMS320LF2407的I/O擴展問題，由于TMS320LF2407器件有多達40個通用、雙向的數(shù)字I/O（GPIO）引腳，且其中大多數(shù)的基本功能和一般I/O復用的引腳，而實際上，本系統(tǒng)只需要17路I/O信號，這樣，就可以為系統(tǒng)剩余50%多的I/O資源，因此可以說，該方案既不算浪費系統(tǒng)資源，也為系統(tǒng)今后的升級留有余地。3.3微輸出

10、D/A通道部分本系統(tǒng)的輸出通道部分主要負責實現(xiàn)波形的輸出，此通道的入口為TMS320LF2407的PWM8口，可輸出SPWM等幅脈沖波形，出口為系統(tǒng)的輸出端，這樣，經(jīng)過一系列的中間環(huán)節(jié)，便可將PWM脈沖波轉化為交流正弦波形，從而實現(xiàn)正弦波的輸出，其原理框圖如圖3.2所示。圖3.2輸出通道的原理結構圖3.2中的緩沖電路的作用是對PWM口輸出的數(shù)字量進行緩沖，并將電壓拉高到5V左右，以供后級模擬電路濾波使用。這一部分電路由兩個芯片組成。一片用三態(tài)緩沖器，由于PWM口的輸出為3.3V的TTL電平，這樣，在設計時就應當選用輸入具有5V的TTL輸入，CMOS輸出電平的轉換芯片（如TI公司的74HCT04

11、）；另一片則可選用TOSHIBA公司出品的光電耦合器6N137；輸出端連接的5V精密穩(wěn)壓電源可選用BURR-BROWN公司生產(chǎn)的REF02型精密穩(wěn)壓電源，以輸出標準的5V電壓。系統(tǒng)中的減法電路的主要作用是把0-10V直流脈動信號的轉換成-5+5V的正弦交流信號，并使其電壓增益為1。設計使可利用差分式電路來實現(xiàn)其功能，為了簡化電路，可以選用較為常用的AD公司的AD524，并將AD524接成電壓跟隨器的形式，同時適當?shù)倪x取電阻以滿足要求，此外，為了使產(chǎn)生的正弦波信號具有2-5mA的驅動能力，可選用AD624來構成末級的信號放大電路。AD624是高精度低噪聲儀用放大器，若外接一只增益電阻，即可得到1

12、-1000之間的任意增益值，其誤差小于1%。由于AD624的建立時間只有15“s，所以它非常適宜在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用。3.4人機接口部分3.4.1驅動器設計位驅動器電路由兩片集成電路組成，即由位驅動的CMOS芯片和將TTL電平轉換成CMOS電平的電平轉換芯片組成，電平轉換芯片可以和輸出通道的電平轉換芯片共用一片74HCT244（本部分使用4路，輸出通道使用3路），其主要作用是對DSP輸出的3.3VTTL電平與5VCMOS電平進行匹配，從而帶動具有CMOS電平的位驅動器，根據(jù)動態(tài)掃描顯示的要求，位驅動器需要選用每路輸出吸收電流都要大于200mA的芯片，因此，本設計選用了TI公司的74LS06

13、來做LED的大電流驅動器件。3.4.2鍵盤設計本系統(tǒng)選用四個獨立式按鍵，分別接入PF3-PF6口，并使用四個220Q上拉電阻接VCC。所謂獨立式，就是將每一個獨立鍵按一對一地直接接到I/O輸入線上，而在讀鍵值時，直接讀I/O口，每一個鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值的一位（二進制位）來反應，所以這種方式也稱為一維直讀方式，這種方式的查鍵軟件比較簡單，但占用I/O線較多，一般在鍵的數(shù)量較少時采用，不過，由于DSP芯片有足夠的I/O接口可供使用，因而可大大方便設計，設計時可以充分利用這一特點來連接硬件，至于按鍵的削抖動措施，則可在軟件中完成。四、軟件設計4.1流程圖本系統(tǒng)軟件可以按照模塊化設計思想來編寫，包括

14、主程序、常數(shù)計算程序、占空比計算程序和相應的一些功能子程序，主程序用于調用各功能子程序、初始化變量、查詢鍵盤、判斷顯示數(shù)據(jù)是否需要刷新、同時判斷一個脈沖是否完成發(fā)送等工作，具體方案見圖4.1所示的流程圖。主程序中的循環(huán)子程序開始刷新顯示輸出寄存器，奇次顯示頻率，偶次頻率，偶次顯示幅值清脈沖發(fā)出標志寄存器,調計算占空比程序圖4.1主程序流程圖在程序中，應在第N-1個脈沖周期里計算占空比，并在第N個脈沖周期里輸出波形，這就要求在設計時要在一個脈沖周期內完成計算，如果選用20MHz的晶振，那么，在一倍頻下，執(zhí)行一條執(zhí)行只需50ns，若輸出400Hz的正弦波，即每一個周期（即2.5ms）要輸出200個

15、脈沖，這樣，也就是說，一個脈沖需要12.5“s（相當于12500/50=250條指令）。而執(zhí)行一個占空比的計算程序只需要幾十條指令，這種算法從軟件開銷上考慮是可以實現(xiàn)的。4.2正弦信號發(fā)生器程序清單;ThisfunctiongeneratesthesinewaveofangleusingtheTaylorseriesexpansion;sin(theta)=x(l-xA2/2*3(l-xA2/4*5(l-xA2/6*7(l-xA2/8*9);cos(theta)=l-xA2/2*3(l-xA2/4*5(l-xT/6*7(l-xA2/8*9);sin(2*theta)=2*sin(theta)*

16、cos(theta).title"sin.asm".mmregs.defcint00.refsinx,d_xs,d_sinx,cosx,d_xc,d_cosxsin_x:.usect"sin_x",360STACK:.usect"STACK",10k_theta.set286PA0.set0_c_int00.textSTM#STACK+10,SPSTMk_theta,AR0STM0,AR1STM#sin_x,AR6STM#90,BRCRPTBloopl-1LDMAR1,ALD#d_xs,DPSTLA,d_xsSTLA,d_xcCALL

17、sinxCALLcosxLD#d_sinx,DPLDd_sinx,16,AMPYAd_cosxSTHB,1,*AR6+MAR*AR1+0loopl:STM#sin_x+89,AR7STM#88,BRCRPTBloop2-lLD*AR7-,ASTLA,*AR6+loop2:STM#179,BRCSTM#sin_x,AR7RPTBloop3-lLD*AR7+,ANEGASTLA,*AR6+loop3:STM#sin_x,AR6STM#1,AR0STM#360,bkloop4:PORTW*AR6+0%,PA0Bloop4sinx:.defd_xs,d_sinx.datatable_s.word01c

18、7h.word030bh.word0666h.word1556hd_coef_s.usect"coef_s",4d_xs.usect"sin_vars",1d_squr_xs.usect"sin_vars",1d_temp_s.usect"sin_vars",ld_sinx.usect"sin_vars",lc_l_s.usect"sin_vars",1.text16SSBXFRCTSTM#d_coef_s,AR5RPT#3MVPD#table_s,*AR5+STM#d_co

19、ef_s,AR3STM#d_xs,AR2STM#c_s,AR4ST#7FFFh,c丄sSQUR*AR2+,ASTA,*AR2IILD*AR4,BMASR*AR2+,*AR3+,B,AMPYAASTHA,*AR2MASR*AR2-,*AR3+,B,AMPYA*AR2+STB,*AR2IILD*AR4,BMASR*AR2-,*AR3+,B,AMPYA*AR2+STB,*AR2IILD*AR4,BMASR*AR2-,*AR3+,B,AMPYAd_xsSTHB,d_sinxRETcosx:.defd_xc,d_cosxd_coef_c.usect"coef_c",4.datatab

20、le_c.word0249h.word0444h.wordOaabh.word4000hd_xc.usect"cos_vars",ld_squr_xc.usect"cos_vars",ld_temp_c.usect"cos_vars",1d_cosx.usect"cos_vars",1c_l_c.usect"cos_vars",l.textSSBXFRCTSTM#d_coef_c,AR5RPT#3MVPD#table_c,*AR5+STM#d_coef_c,AR3STM#d_xc,AR2STM#

21、c_c,AR4ST#7FFFh,c丄cSQUR*AR2+,ASTA,*AR2IILD*AR4,BMASR*AR2+,*AR3+,B,AMPYAASTHA,*AR2MASR*AR2-,*AR3+,B,AMPYA*AR2+STB,*AR2|LD*AR4,BMASR*AR2-,*AR3+,B,ASFTAA,-1,ANEGAMPYA*AR2+MAR*AR2+RETDADD*AR4,16,BSTHB,*AR2RET.endPAGEMEMORYEPROM:org=0E000h,len=1000hVECS:org=0FF80h,len=0080h1:SPRAM:org=0060h,len=0020hDARAM1:org=0080h,len=0010hDARAM2:org=0090h.len=0010hDARAM3:org=0200h,len=0200h0:PAGESECTIONS.text:>EPR