基于DSP正弦信號發(fā)生器的研究

1、 DSP結課作業(yè)題 目： 基于DSP正弦信號發(fā)生器的研究 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 目錄摘要3引言31 系統(tǒng)原理41.1 利用DSP產(chǎn)生正弦波的方法41.2 DDS的基本原理62 系統(tǒng)方案研究72.1 DDS單片電路的解決方案72.2 基于FPGA芯片的解決方案72.3 采用高速的微處理芯片的解決方案73 總體方案設計83.1硬件組成83.2控制器組成93.3微輸出D/A通道部分93.4驅動器設計113.5 鍵盤設計114軟件設計124.1流程圖124.2 正弦信號發(fā)生器程序清單145 結語20參考文獻及附錄21基于DSP正弦信號發(fā)生器的研究摘 要

2、：數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，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。關鍵詞：信號發(fā)生器 DSP 正弦信號 數(shù)模轉換引言：正弦信號發(fā)生器是信號源中最常見的一種, 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

3、用, 在科學研究及生產(chǎn)實踐中均有廣泛應用。目前, 常用的信號發(fā)生器絕大部分都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時,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。在當今社會，信號發(fā)生器已經(jīng)廣泛地應用于雷達應用，通信系統(tǒng)的仿真與測試等國防、科研和工業(yè)領域。數(shù)字信號處理器（DSP）正是在基于高標準，高要求的情況下應運而生。DSP是在模擬信號

4、變成數(shù)字信號以后進行高速實時處理的專用處理器，運算速度高、系統(tǒng)集成度強、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。其中嵌入式DSP 應用系統(tǒng)中,波形發(fā)生器作為 DSP 外時鐘信號源或激勵信號源, 所以它的質量和優(yōu)劣直接影響 DSP 和嵌入系統(tǒng)的性能。為此,必須選擇性價比高的信號波形發(fā)生器,這樣才能為 DSP 提供一個高性能的時鐘信號或激勵信號。1、系統(tǒng)原理1.1利用DSP產(chǎn)生正弦波的方法常見產(chǎn)生正弦波的方法有6 種：( 1 )采樣回放法；( 2)實時計算法； ( 3)查表法；( 4)查表結合插值法； ( 5)數(shù)值迭代法；( 6)泰勒級數(shù)展開法。1)采樣回放法該方法很容易實現(xiàn)，只需對已

5、有的標準正弦信號源進行采樣，得到數(shù)據(jù)后直接回放或進行變頻變幅處理后回放。該方法關鍵在于采用高性能的A/D、D/A 芯片并合理設計硬件電路，使信號處理過程中保證波形良好，以保證采樣數(shù)據(jù)的精準性。進行數(shù)字變頻及變幅處理時，要清楚數(shù)據(jù)的格式并保證回放數(shù)據(jù)的點數(shù)滿足奈奎斯特定理，防止頻譜混迭。2)查表法產(chǎn)生正弦波查表法是使用比較普遍的方法，也是本裝置采用的方法，首先自己生成正弦數(shù)據(jù)表，再進行查表、D/A 轉換后，得到所需要的波形。優(yōu)點是處理速度快，調頻調相容易，較采樣回放法，避免了數(shù)據(jù)單一，增加了精度。如果存儲空間足夠大，那么就可以通過制作較大的查找表來得到較高的精度。如建立一個200 個數(shù)據(jù)點的正弦

6、數(shù)據(jù)表，具體過程如下，采用查表法來實現(xiàn)對某一正弦波的頻率及幅值的設定，在程序里要建立一張正弦查找表。根據(jù)分析及計算得到每周期最多向D/A 送多少個數(shù)據(jù)點，假設送200 個數(shù)據(jù)，因此建立一張有200 個數(shù)據(jù)的正弦查找表。對于頻率為f 的正弦波來說，若每周期取200 點數(shù)據(jù)，則取樣間隔為(1/f )/200=1/(200f )，則對幅值為1 的正弦波如下式：這里采用MATLAB軟件來產(chǎn)生一個200個數(shù)據(jù)點的正弦波數(shù)據(jù)文件，之后將其添加到CCS工程中進行編譯、連接、調試直至成功。利用下面一段MATLAB程序來產(chǎn)生sin200.dat的數(shù)據(jù)文件。sine=sin(0:199*2*pi/200)；%生成

7、正弦數(shù)據(jù)save sin200.dat sine-ascii %輸出數(shù)據(jù)文件sin200.dat3)查表結合插值法產(chǎn)生正弦波形查表結合插值法是在查表法的基礎上加以改進得到。發(fā)生相同性能的正弦波，查表法結合插值法的長度遠遠要小于單純查表法的表格長度，從而克服了查表法中占用大量內存資源的缺點，節(jié)約了存儲空間。查表法結合插值法的表格格式如表1所示。先將一個周期的單位正弦波N等分，并計算所有離散點的幅值，之后將這些幅值依次排列存入數(shù)據(jù)區(qū)，從而構成一張表格。查表結合插值法產(chǎn)生正弦波形方法是通過在兩個表項點之間插入若干個值來實現(xiàn)的，插入值的大小決定于相鄰的兩個表項值和插入點的位置?？紤]到DSP的處理速度，

8、一般采用線性插值。每一個插值根據(jù)下式得到：sin360°(I +D )/N =sin(360°I /N )+D sin360°(I +1)/N -sin(360°I /N )。其中，D 是一個介于0 到1 之間的小數(shù)，表示插值點離左邊表項點的相對位置；N 是表格長度；sin(360°I /N ) 和sin360°(I +1)/N 是相鄰的兩個表項值。4)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

9、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：取泰勒級數(shù)的前5項，得近似計算式：遞推公式： 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。1.2 DDS的基本原理 直接數(shù)字頻率合成器（Derect Digital Synthesizer)DDS 是從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的一種新的頻率

10、合成技術。DDS 是利用信號相位與幅度的關系,對需要合成信號的波形進行相位分割,對分割后的相位值賦予相應的地址,然后按時鐘頻率以一定的步長抽取這些地址，這樣按照一定的步長抽取地址(相位累加器值)的同時,輸出相應的幅度樣值,這些幅度樣值的包絡反映了需要合成信號的波形。一個直接數(shù)字頻率合成器由相位累加器、加法器、波形存儲ROM、D/A轉換器和低通濾波器(LPF）構成。DDS的原理框圖如圖所示。 相位累加器相位寄存器數(shù)據(jù)存儲器D/A轉換LPF時鐘 圖1.2 DDS的原理框圖2、系統(tǒng)方案研究DDS的設計方案已經(jīng)有很多的成熟方案，可以采用單片專用集成電路芯片解決，也可以用FPGA設計，還可以采用高速的微

11、處理芯片來設計，基本的設計方案簡介如下。2.1 DDS單片電路的解決方案 AD9850是AD公司采用先進的DDS技術1996年推出的高集成度DDS頻率合成器，它內部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時鐘發(fā)生器。接上精密時鐘源，AD9850可產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。此正弦波可直接用作頻率信號源或轉換成方波用作時鐘輸出。AD9850接口控制簡單，可以用8位并行口或串行口經(jīng)、相位等控制數(shù)據(jù)。32位頻率控制字，在125MHz時鐘下，輸出頻率分產(chǎn)率達0.029Hz。先進的CMOS工藝使AD9850不僅性能指標一流，而且功耗

12、少，在3.3V供電時，功耗僅為155mW。擴展工業(yè)級溫度范圍為-40+85攝氏度，其封裝是28引腳的SSOP表面封裝。AD9850采用32位相位累加器，截斷成14位，輸入正弦查詢表，查詢表輸出截斷成10位，輸入到DAC。DAC輸出兩個互補的模擬電流，接到濾波器上。調節(jié)DAC滿量程輸出電流，需外接一個電阻Rset，其調節(jié)關系是Iset=32（1.248V/Rset），滿量程電流為1020mA。2.2 基于FPGA芯片的解決方案DDS技術的實現(xiàn)依賴于高速、高性能的數(shù)字器件?？删幊踢壿嬈骷云渌俣雀?、規(guī)模在、可編程，以及有強大EDA軟件支持等特性，十分適合實現(xiàn)DDS技術。利用FPGA則可以根據(jù)需要方

13、便地實現(xiàn)各種比較復雜的調頻、調相和調幅功能，具有良好的實用性。就可成信號質量而言，專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝，內部數(shù)字信號抖動很小，可以輸出高質量的模擬信號；利用FPGA也能輸出較高質量的信號，雖然達不到專用DDS芯片的水平，但信號精度誤差在允許范圍之內。2.3采用高速微處理芯片的解決方案 在基于DDS原理的基礎上，利用軟件模擬出DDS專用芯片內部的各個硬件電路，同時利用微處理器的高速運算性能，同樣可以達到專用的DDS芯片所產(chǎn)生的波形性能。同時采用這種方案可以彌補專用芯片的不足點，它具有如下優(yōu)點：速度快。由于TMS320VC54xDSP指令周期25/20/15/12.5/10ns10

14、，運算能力高達100 MIPS，此外，它內部還集成了維特比加速器，用于提高維特比編譯碼的速度，所以由它組成的信號發(fā)生器的波形生成速度快。波形精度高。由于TMS320VC54xDSP有優(yōu)化的CPU結構，內部有1個40位算術邏輯單元，2個40位累加器，2個40 位加法器，1個17×17的乘法器和1個40位的桶形移位器，有4條內部總線和2 個地址產(chǎn)生器6，所以它能產(chǎn)生高精度的信號波形。功耗小，性能穩(wěn)定，從而產(chǎn)生的波形信號也穩(wěn)定。成本較低。利用DSP構成的信號發(fā)生器的大部分功能成本可以嵌入到DSP的軟件中，而不是額外的硬件，大大的降低了成本和額外的開銷。編程方便。DSP可以使用匯編語言，也可

15、以使用C語言，在軟件編程中的修改或升級都特別的方便。本系統(tǒng)設計方案正是基于采用高速的微處理芯片的解決方案。3、 總體方案設計3.1硬件組成基于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。獨立式四鍵功能鍵盤緩沖及電平轉換電路段驅動器2*SN74LS07有源濾波電路DSP微控制器TMS320LF 2407 PGE四位LED減法電路位驅動器74LS07放大電路AD624輸出三相正弦波ClockCircuit電源（自帶復位功能）圖3.1 基于DSP的信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖3.2控制器組成本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407 DS

16、P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個通用定時器、3個比較器、6至8個PWM

17、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，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，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D/A通道部分 本系統(tǒng)的輸出通道部分主要負責實

18、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，其原理框圖如圖所示。DSP的PWN輸出輸出緩沖電路電平轉換電路低通濾波電路減法電路圖3.3輸出通道的原理結構圖3.3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，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）

19、；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

20、-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15s，所以它非常適宜在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用。3.4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3.3V TTL電平與5V CMOS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來做LED的大電流驅

21、動器件。3.5 鍵盤設計本信號發(fā)生器采用獨立鍵盤作為人機接口部分,即各個按鍵相互獨立, 按下相應的按鍵, 就能輸出對應幅度和頻率的正弦波。圖3所示為中斷方式工作的獨立式鍵盤的連接圖, 每個按鍵各接一根I/O接口線,每根I/O接口線上的按鍵都不影響其它的I /O 接口線。因此, 可以通過檢測I /O 的電平狀態(tài)判斷出哪個鍵按下 。這4個獨立按鍵分別接HD0 HD3口, 并且使用4個220歐的上拉電阻接VCC。當沒有按下鍵時, 對應的I/O接口線輸入為高電平, 當按下鍵時, 對應的I/O 接口線輸入為低電平,則請求中斷INT1。而在讀鍵時, 每一個鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值的高低電平來反應。在中斷服務程

22、序中通過執(zhí)行判鍵程序, 判斷是哪個鍵按下, 從而設置對應的幅度和頻率, 執(zhí)行產(chǎn)生正弦波形的程序。獨立式鍵盤的電路配置靈活、軟件簡單。但每個按鍵要占用1根I/O 接口線, 在按鍵較多時, I /O 接口線浪費較大。故在按鍵數(shù)量不多時采用這種方法,本系統(tǒng)采用4個獨立按鍵, 而DSP芯片有足夠的I/O接口可供使用, 設計時可以充分利用這一特點來連接硬件, 至于對按鍵時抖動的消除可在軟件中完成 。使用中斷, 可提高CPU 的效率, 實現(xiàn)資源共享和并行處理, 同時也可以在芯片運行過程中對突發(fā)故障做出及時發(fā)現(xiàn)和處理。4、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，包括主程序、常數(shù)計算程序、

23、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5.1所示：主程序中的循環(huán)子程序開始判斷20ms是否到？判斷0.1s是否到？刷新顯示輸出寄存器，奇次顯示頻率，偶次頻率，偶次顯示幅值判斷脈沖發(fā)出標志寄存器=1？清脈沖發(fā)出標志寄存器，調計算占空比程序返回判斷是否在延時程序中調用本程序圖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50n

24、s，若輸出400Hz的正弦波，即每一個周期（即2.5ms）要輸出200個脈沖，這樣，也就是說，一個脈沖需要12.5s（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;This function generates the sine wave of angle using the Taylor series expansion;sin(theta)=x(1-x2/2*3(1-x2/4*5(1-x2/6*7(1-x2/8*9);cos(theta)=1-x2/2*3(1-x2/4*5(1-x2

25、/6*7(1-x2/8*9);sin(2*theta)=2*sin(theta)*cos(theta) .title "sin.asm" .mmregs .def _c_int00 .ref sinx,d_xs,d_sinx,cosx,d_xc,d_cosxsin_x: .usect "sin_x",360STACK: .usect "STACK",10k_theta .set 286PA0 .set 0_c_int00 .text STM #STACK+10,SP STM k_theta,AR0 STM 0,AR1 STM #sin

26、_x,AR6 STM #90,BRC RPTB loop1-1 LDM AR1,A LD #d_xs,DP STL A,d_xs STL A,d_xc CALL sinx CALL cosx LD #d_sinx,DP LD d_sinx,16,A MPYA d_cosx STH B,1,*AR6+ MAR *AR1+0loop1: STM #sin_x+89,AR7 STM #88,BRC RPTB loop2-1 LD *AR7-,A STL A,*AR6+loop2: STM #179,BRC STM #sin_x,AR7 RPTB loop3-1 LD *AR7+,A NEG A ST

27、L A,*AR6+loop3: STM #sin_x,AR6 STM #1,AR0 STM #360,bkloop4: PORTW *AR6+0%,PA0 B loop4sinx: .def d_xs,d_sinx .datatable_s .word 01c7h .word 030bh .word 0666h .word 1556hd_coef_s .usect "coef_s",4d_xs .usect "sin_vars",1d_squr_xs .usect "sin_vars",1d_temp_s .usect "s

28、in_vars",1d_sinx .usect "sin_vars",1c_l_s .usect "sin_vars",1 .text SSBX FRCT STM #d_coef_s,AR5 RPT #3 MVPD #table_s,*AR5+ STM #d_coef_s,AR3 STM #d_xs,AR2 STM #c_l_s,AR4 ST #7FFFh,c_l_s SQUR *AR2+,A ST A,*AR2 |LD *AR4,B MASR *AR2+,*AR3+,B,A MPYA A STH A,*AR2 MASR *AR2-,*AR3+

29、,B,A MPYA *AR2+ ST B,*AR2 |LD *AR4,B MASR *AR2-,*AR3+,B,A MPYA *AR2+ ST B,*AR2 |LD *AR4,B MASR *AR2-,*AR3+,B,A MPYA d_xs STH B,d_sinx RETcosx: .def d_xc,d_cosxd_coef_c .usect "coef_c",4 .datatable_c .word 0249h .word 0444h .word 0aabh .word 4000hd_xc .usect "cos_vars",1d_squr_xc

30、.usect "cos_vars",1d_temp_c .usect "cos_vars",1d_cosx .usect "cos_vars",1c_l_c .usect "cos_vars",1 .text SSBX FRCT STM #d_coef_c,AR5 RPT #3 MVPD #table_c,*AR5+ STM #d_coef_c,AR3 STM #d_xc,AR2 STM #c_l_c,AR4 ST #7FFFh,c_l_c SQUR *AR2+,A ST A,*AR2 |LD *AR4,B MAS

31、R *AR2+,*AR3+,B,A MPYA A STH A,*AR2 MASR *AR2-,*AR3+,B,A MPYA *AR2+ ST B,*AR2 |LD *AR4,B MASR *AR2-,*AR3+,B,A SFTA A,-1,A NEG A MPYA *AR2+ MAR *AR2+ RETD ADD *AR4,16,B STH B,*AR2 RET .endMEMORY PAGE 0: EPROM: org=0E000h, len=1000h VECS: org=0FF80h, len=0080h PAGE 1: SPRAM: org=0060h, len=0020h DARAM1: org=0080h, len=0010h DARAM2: org=0090h, len=0010h DARAM3: org=0200h, len=0200hSECTIONS .text :>EPROM PAGE 0 .data :>EPROM PAGE 0 STACK :>SPRAM PAGE 1 sin_vars :>DARAM1 PAGE 1 coef_s :>DARAM1 PAGE 1 cos_vars :>DARAM2 PAGE 1 coef_c :>DARAM2 PAGE