基于DSP的正弦信号发生器.doc-资料库

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目录第 1 章绪论 .............................................. 1 1 DSP 简介 ................................................1 第 2 章总体方案的分析和设计 .............................. 2 2.1 总体方案设计 .......................................... 2 2.2 正弦波信号发生器 ...................................... 2 第 3 章硬件设计 .......................................... 3 3.1 硬件组成 .............................................. 3 3.2 控制器部分 ............................................ 4 3.4 人机接口部分 ..........................................5 第 4 章软件设计 .......................................... 6 4.1 流程图 ................................................6 4.2 正弦信号发生器程序清单 ............................... 7 第 5 章总结 ............................................. 12 参考文献 ................................................ 12

第 1 章绪论 1 DSP 简介数字信号处理(Digital Signal Processing，简称 DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20 世纪 60 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。图一是数字信号处理系统的简化框图。此系统先将模拟信号转换为数字信号，经数字信号处理后，再转换成模拟信号输出。其中抗混叠滤波器的作用是将输入信号 x (t)中高于折叠频率的分量滤除，以防止信号频谱的混叠。随后，信号经采样和 A/D 转换后，变成数字信号 x(n)。数字信号处理器对 x(n)进行处理，得到输出数字信号 y (n),经 D/A 转换器变成模拟信号。此信号经低通滤波器，滤除不需要的高频分量，最后输出平滑的模拟信号 y(t)。 x(t) 抗混叠滤波器 A/D x(n) y(t) 低通滤波器数字信号处理 y(n) D/A 图 1.1 数字信号处理系统简化框图数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。 1

第 2 章总体方案的分析和设计 2.1 总体方案设计 1.基于 DSP 的特点，本设计采用 TMS320C54X 系列的 DSP 作为正弦信号发生器的核心控制芯片。 2.用泰勒级数展开法实现正弦波信号。 3.设置波形时域观察窗口，得到其滤波前后波形变化图； 4.设置频域观察窗口，得到其滤波前后频谱变化图。 2.2 正弦波信号发生器正弦波信号发生器已被广泛地应用于通信、仪器仪表和工业控制等领域的信号处理系统中。通常有两种方法可以产生正弦波，分别为查表法和泰勒级数展开法。查表法是通过查表的方式来实现正弦波，主要用于对精度要求不很高的场合。泰勒级数展开法是根据泰勒展开式进行计算来实现正弦信号，它能精确地计算出一个角度的正弦和余弦值，且只需要较小的存储空间。本次主要用泰勒级数展开法来实现正弦波信号。产生正弦波的算法正弦函数和余弦函数可以展开成泰勒级数，其表达式： sin( x )  x cos( x 1)  3 x !3 2 x !2   5 x !5 4 x !4   7 x !7 6 x !6   9 x !9 8 x !8   取泰勒级数的前 5 项，得近似计算式： sin( x )  x 3 x !3  ( 1 x   5 x !5 2 x 32   7 x !7  9 x !9 ( 1 ( 1  2 x 54   2 x 76  ( 1  2 x 98  )))) 2

cos( x 1)  1  2 x !2 2 x 2 递推公式：  4 x !4  ( 1  2 x 43   6 x !6 ( 1 8 x !8  2 x 65  ( 1  2 x 87  ))) sin(nx) = 2cos(x)sin[(n-1)x]-sin[(n-2)x] cos(nx) = 2cos(x)sin[(n-1)x]-cos[(n-2)x] 由递推公式可以看出，在计算正弦和余弦值时,需要已知 cos(x)、sin(n-1)x、sin(n- 2)x 和 cos(n-2)x。第 3 章硬件设计 3.1 硬件组成基于 DSP 的信号发生器的硬件结构图如图 3.1 所示，它主要由 DSP 主控制器，输出 D/A 通道和人机界面等几个主要部分组成。独立式四键功能键 DSP 微控制器 TMS320LF 2407 PGE 段驱动器 2*SN74LS07 四位 LED 位驱动器 74LS07 缓冲及电平转换电路有源滤波电路减法电路输出三相正弦波放大电路 AD624 电源（自带复位功能） Clock Circuit 图 3.1 基于 DSP 的信号发生器系统框图 3

3.2 控制器部分本系统采用 TI 公司的 TMS320LF2407 DSP 处理器，该器件具有外设集成度高，程序存储器容量大，A/D 转换精度高，运算速度高，I/O 口资源丰富等特点，芯片内部集成有 32KB 的 FLASH 程序存储器、2KB 的数据/程序 RAM，两个事件管理器模块（EVE 和 EVB）、16 通道 A/D 转换器、看门狗定时器模块、16 位的串行外设接口（SPI）模块、40 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚（GPIO）以及 5 个外部中断和系统监视模块。 TMS320LF2407 芯片中的事件管理模块（EV）是一个非常重要的组成部分。SP WM 波形的产生和输出就是由这一部分完成的，它由两个完全相同的模块（EVA 和 E VB）组成，每个模块都含有 2 个通用定时器、3 个比较器、6 至 8 个 PWM 发生器、 3 个捕获单元和 2 个正交脉冲编码电路（QEP）。由于 TMS320LF2407 有 544 字的双口 RAM（DARAM）和 2K 字的单口 RAM（SARAM）；而本系统的程序仅有几 KB，且所用 RAM 也不多，因此不用考虑存储器的扩展问题，而对于 TMS320LF2407 的 I /O 扩展问题，由于 TMS320LF2407 器件有多达 40 个通用、双向的数字 I/O（GPIO）引脚，且其中大多数的基本功能和一般 I/O 复用的引脚，而实际上，本系统只需要 1 7 路 I/O 信号，这样，就可以为系统剩余 50%多的 I/O 资源，因此可以说，该方案既不算浪费系统资源，也为系统今后的升级留有余地。 3.3 微输出 D/A 通道部分本系统的输出通道部分主要负责实现波形的输出，此通道的入口为 TMS320LF2 407 的 PWM8 口，可输出 SPWM 等幅脉冲波形，出口为系统的输出端，这样，经过一系列的中间环节，便可将 PWM 脉冲波转化为交流正弦波形，从而实现正弦波的输出，其原理框图如图 3.2 所示。 DSP 的 PWN 输出缓冲电路电平转换电路低通滤波电路减法电路输出图 3.2 中的缓冲电路的作用是对 PWM 口输出的数字量进行缓冲，并将电压拉高图 3.2 输出通道的原理结构 4

到 5V 左右，以供后级模拟电路滤波使用。这一部分电路由两个芯片组成。一片用三态缓冲器，由于 PWM 口的输出为 3.3V 的 TTL 电平，这样，在设计时就应当选用输入具有 5V 的 TTL 输入，CMOS 输出电平的转换芯片（如 TI 公司的 74HCT04）；另一片则可选用 TOSHIBA 公司出品的光电耦合器 6N137；输出端连接的 5V 精密稳压电源可选用 BURR-BROWN 公司生产的 REF02 型精密稳压电源，以输出标准的 5V 电压。系统中的减法电路的主要作用是把 0-10V 直流脉动信号的转换成-5～+5V 的正弦交流信号，并使其电压增益为 1。设计使可利用差分式电路来实现其功能，为了简化电路，可以选用较为常用的 AD 公司的 AD524，并将 AD524 接成电压跟随器的形式，同时适当的选取电阻以满足要求，此外，为了使产生的正弦波信号具有 2-5mA 的驱动能力，可选用 AD624 来构成末级的信号放大电路。AD624 是高精度低噪声仪用放大器，若外接一只增益电阻，即可得到 1-1000 之间的任意增益值，其误差小于 1%。由于 AD624 的建立时间只有 15μs，所以它非常适宜在高速数据采集系统中使用。 3.4 人机接口部分 3.4.1 驱动器设计位驱动器电路由两片集成电路组成，即由位驱动的 CMOS 芯片和将 TTL 电平转换成 CMOS 电平的电平转换芯片组成，电平转换芯片可以和输出通道的电平转换芯片共用一片 74HCT244（本部分使用 4 路，输出通道使用 3 路），其主要作用是对 DS P 输出的 3.3V TTL 电平与 5V CMOS 电平进行匹配，从而带动具有 CMOS 电平的位驱动器，根据动态扫描显示的要求，位驱动器需要选用每路输出吸收电流都要大于 2 00mA 的芯片，因此，本设计选用了 TI 公司的 74LS06 来做 LED 的大电流驱动器件。 3.4.2 键盘设计本系统选用四个独立式按键，分别接入 PF3-PF6 口，并使用四个 220Ω上拉电阻接 VCC。所谓独立式，就是将每一个独立键按一对一地直接接到 I/O 输入线上，而在读键值时，直接读 I/O 口，每一个键的状态通过读入键值的一位（二进制位）来反应，所以这种方式也称为一维直读方式，这种方式的查键软件比较简单，但占用 I/O 线较多，一般在键的数量较少时采用，不过，由于 DSP 芯片有足够的 I/O 接口可供使用，因而可大大方便设计，设计时可以充分利用这一特点来连接硬件，至于按键的削抖动措施，则可在软件中完成。 5

第 4 章软件设计 4.1 流程图本系统软件可以按照模块化设计思想来编写，包括主程序、常数计算程序、占空比计算程序和相应的一些功能子程序，主程序用于调用各功能子程序、初始化变量、查询键盘、判断显示数据是否需要刷新、同时判断一个脉冲是否完成发送等工作，具体方案见图 4.1 所示的流程图。主程序中的循环子程序开始判断 20ms 是否到？判断 0.1s 是否到？刷新显示输出寄存器，奇次显示频率，偶次频率，偶次显示幅值判断脉冲发出标志寄存器=1？清脉冲发出标志寄存器，调计算占空比程序判断是否在延时程序中调用本程序返回图 4.1 主程序流程图 6

在程序中，应在第 N-1 个脉冲周期里计算占空比，并在第 N 个脉冲周期里输出波形，这就要求在设计时要在一个脉冲周期内完成计算，如果选用 20MHz 的晶振，那么，在一倍频下，执行一条执行只需 50ns，若输出 400Hz 的正弦波，即每一个周期（即 2.5ms）要输出 200 个脉冲，这样，也就是说，一个脉冲需要 12.5μs（相当于 12500/50=250 条指令）。而执行一个占空比的计算程序只需要几十条指令，这种算法从软件开销上考虑是可以实现的。 4.2 正弦信号发生器程序清单 ;This function generates the sine wave of angle using the Taylor expansion ;sin(theta)=x(1-x^2/2*3(1-x^2/4*5(1-x^2/6*7(1-x^2/8*9)))) ;cos(theta)=1-x^2/2*3(1-x^2/4*5(1-x^2/6*7(1-x^2/8*9))) ;sin(2*theta)=2*sin(theta)*cos(theta) series sin_x: STACK: k_theta PA0 _c_int00 "sin.asm" .title .mmregs .def .ref .usect _c_int00 sinx,d_xs,d_sinx,cosx,d_xc,d_cosx "sin_x",360 .usect "STACK",10 .set .set 286 0 .text STM STM STM STM STM RPTB LDM #STACK+10,SP k_theta,AR0 0,AR1 #sin_x,AR6 #90,BRC loop1-1 AR1,A 7

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