基于DSP的正弦信号发生器正文.doc

1、第 1 章 绪论 1.1 引言 数字信号处理器 (DSP)是在模拟信号变成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。 DSP 芯片以其独特的结构和快速实现各种数字信号处理算法的突出优点 ,发展十分迅速。 数字信号发生器是在电子电路设计、自动控制系统和仪表测量校正调试中应用很多的一种信号发生装置和信号源。而正弦信号是一种频率成分最为单一的常见信号源，任何复杂信号 (例如声音信号 )都可以通过傅里叶变换分解为许多频率不同、幅度不等的正弦信号的叠加，广泛地应用在电子技术试验、自动控制系统和通信、仪器仪表、控制等领域的信号处理系统中 及其他机械、电声、水声及生物等科研领域。 目前 ,常用的信号发生器绝

2、大部分是由模拟电路构成的。当这种模拟信号发生器用于低频信号输出时 ,往往需要的 RC 值很大 ,这样不但参数准确度难以保证 ,而且体积和功耗都很大。而由数字电路构成的低频信号发生器 ,虽然其低频性能好 ,但体积较大 ,价格较贵。 而本文借助 DSP 运算速度高，系统集成度强的优势设计的这种信号发生器，比以前的数字式信号发生器具有速度更快，且实现更加简便 。 1.2 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

3、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

4、平滑的模拟信号 y(t)。 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。 1.3 课题研究的目的 通过对课程设计任务的完成 ，使学生理解课程教学的理论内容，并且能够掌握和熟悉 DSP 的开发流程和基本的编程方法。

5、同时，由于设计中涉及到各种器件的使用，可以提高学生综合运用各种技术和知识的能力。 1.4 任务和要求 设计一个基于 DSP 的正弦信号发生器 ，要求： 1. 总体方案设计 ； 2. 设计出 软件编程方法 ，并写出源代码； 3. 仿真与结果分析 ； 4. 论文格式要符合学院的统一规定，结构要合符逻辑，表达要得体。 抗混叠 滤波器 A/D 数字信号处理器 D/A 低通滤波器 x(n) y(n) x(t) y(t) 第 2 章 CCS 简介 2.1 CCS 工作模式 CCS 是 TI 公司针对 TMS320 系列 DSP 的集成开发环境 ,在 Windows 操作系统下，采用图形接口界面，提供有环境

6、配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。 CCS 有两种工作模式，即： 软件仿真器模式：可以脱离 DSP 芯片 ， 在 PC 机上模拟 DSP 的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。 硬件在线编程模式：可以实时运行在 DSP 芯片上 ,与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。 2.2 CCS 的组成 CCS 的开发系统主要由以下组件构成 1. TMS320C54x 集成代码产生工具 用来对 C 语言、汇编语言或混合语言编程的 DSP 源程序进行编译汇编，并链接成为可执行的 DSP 程序。主要包括汇编器、链接器、 C/C+编译器和建库工具等。 2. CCS 集成开发环境 集编辑

7、、编译、链接、软件仿真、硬件调试和实时跟踪等功能于一体。包括编辑工具、工程管理工具和调试工具等。 3. DSP/BIOS 实时内核插件及其应用程序接口 API 主要为实时信号处理应用而设计。包括 DSP/BIOS 的配置工具、实时分析工具等。 4.实时数据交换的 RTDX 插件和相应的程序接口 API 可对目标系统数据进行实时监视，实现 DSP 与其他应用程序的数据交换。 5. 由 TI 公司以外的第三方提供 的应用模块插件 2.3 CCS的主要功能 CCS 的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持 C/C+和汇编的混合编程，其主要功能如下 具有集成可视化代码编

8、辑界面，用户可通过其界面直接编写 C、 汇编、 .cmd文件等； 含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化 C 编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中； 高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户很容易阅读代码，发现语法错误； 工程项目管理工具可对用户程序实行项目管 理。在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理； 基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持 C 源代码级调试； 断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置； 探测点工具

9、，可用于算法的仿真，数据的实时监视等； 分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟； 数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示 ,包括显示时域 /频域波形、眼图、星座图、 图像等，并能进行自动刷新； 提供 GEL 工具。利用 GEL 扩展语言，用户可以编写自己的控制面板 /菜单，设置 GEL 菜单选项，方便直观地修改变量，配置参数等； 支持多 DSP 的调试； 支持 RTDX 技术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现 DSP 与其他应用程序的数据交换； 提供 DSP/BIOS 工具，增强对代码的实时分析能力。 2.4CCS的安装及设置 在使用 CCS

10、 之前，必须首先按照 CCS 的产品说明安装 CCS 软件；其次创建CCS 系统配置，进行环境设置；最后，按照具体使用的仿真器，安装目标板和驱 动程序。 2.5系统配置要求 机器类型： IBM PC 及兼容机； 操作系统： Microsoft Windows 95/98/2000 或 Windows NT4.0； 机器资源配置要求： 机器部件 最低配置 推荐配置 内存 32MB 128MB 剩余硬盘空间 100MB 200MB CPU Pentium Pentium以上 显示分辨率 SVGA 800600 SVGA 1024768 主板插槽 一条空余 EISA 插槽 一条空余 EISA 插槽

11、图 2.1 机器资源配置图 第 3 章 实现原理 3.1 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。 3.2 正弦波信号发生器 原理 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

12、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： 取泰勒级数的前 5 项，得近似计算式： !9!7!5!3)s in ( 9753 xxxxxx !8!6!4!21)c o s ( 8642 xxxxx)( 981761541321 !9!7!5!3)s i n (22229753xxxxxxxxxxx递推公式： sin(nx) = 2cos(x)sin(n-1)x-sin(n-2)x cos(nx) = 2cos(x)sin(n-1)x-

13、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。 3.3 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。 )( 87165143121 !8!6!4!21)c o s (22228642xxxxxxxxx第 4 章 硬件设计 4.1 硬件 组成 基于 DSP 的信号发生器的

14、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。 图 4.1 基于 DSP 的信号发生器系统框图 4.2 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

15、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。SPWM 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 EVB） 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 输出三相 正弦波 独立式四 键功能键 盘 有源滤波 电路 减法电路 放大电路 AD624 电源（自带复位功能） Clock

16、 Circuit 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 17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

17、系统资源，也为系统今后的升级留有余地。 4.3 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TMS320LF2407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 4.2所示。 图 4.2 输出通道的原理结构 图 4.2 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

18、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DSP 的 PWN 输

19、出 输出 缓冲 电路 电平转换电路 低通 滤波 电路 减法 电路 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 15s，所以它非常适宜在高速数据采集系统中使用。 4.4 人机接口部分 4.4.1 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

20、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 DSP 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 200mA 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。 4.4.2 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 220 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。