基于DSP的正弦信號發(fā)生器設(shè)計

引言

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(diào)、頻率可調(diào)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(xué)研究及生產(chǎn)實踐中均有著廣泛應(yīng)用。

目前，常用的信號發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構(gòu)成的，當(dāng)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(zhǔn)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(gòu)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(yùn)算速度高，系統(tǒng)集成度強(qiáng)的優(yōu)勢設(shè)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。

系統(tǒng)原理

一般的采樣型spwm法分自然采樣法和規(guī)則采樣法，自然采樣法是將基準(zhǔn)正弦波與一個載波三角波相比較，由兩者的交點決定開關(guān)模式的方法。由于自然采樣法得到的數(shù)學(xué)模型需要解超越方程，因而并不適合微控制器進(jìn)行實時控制，又因為實踐檢驗對稱波形比非對稱波形在三相電的相電流中引起的諧波失真小，所以我們使用對稱規(guī)則采樣法作為本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

這里說明一下使用ti公司的dsp芯片tms320lf2407（以下簡稱2407）來產(chǎn)生pwm信號的原理：由于產(chǎn)生一個pwm信號需要有一個適合的定時器來重復(fù)產(chǎn)生一個與pwm周期相同的計數(shù)周期，并用一個比較寄存器來保持調(diào)制值，因此，比較寄存器的值應(yīng)不斷與定時寄存器的值相比較，這樣，當(dāng)兩個值相匹配時，就會在響應(yīng)的輸出上產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換（從低到高或從高到低），從而產(chǎn)生輸出脈沖，輸出的開啟（或關(guān)閉）時間與被調(diào)制的數(shù)值成正比，因此，改變調(diào)制數(shù)值，相關(guān)引腳上輸出的脈沖信號的寬度也將隨之改變。

通過tms320lf2407的事件管理器模塊可以產(chǎn)生一定占空比的pwm脈沖信號，而使用其中的通用定時器、全比較單元和單比較單元則均可發(fā)出pwm脈沖，由dsp的pwm口可輸出一系列等幅不等寬的pwm波形信號，這些信號再經(jīng)過外圍一系列調(diào)理電路的變換之后，便可以得到所需要的三相交流正弦波信號了。事實上，在硬件上，dsp有兩個設(shè)計一樣的事件管理模塊（eva/evb），每一個事件管理模塊都有6個pwm輸出口，故可輸出兩組三相spwm波，一般均可滿足通常的設(shè)計需要。

系統(tǒng)硬件組成

基于dsp的信號發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它主要由dsp主控制器，輸出d/a通道和人機(jī)界面等幾個主要部分組成。

◇ 控制器部分

本系統(tǒng)采用ti公司的tms320lf2407 dsp處理器，該器件具有外設(shè)集成度高，程序存儲器容量大，a/d轉(zhuǎn)換精度高，運(yùn)算速度高，i/o口資源豐富等特點，芯片內(nèi)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(zhuǎn)換器、看門狗定時器模塊、16位的串行外設(shè)接口（spi）模塊、40個可單獨(dú)編程或復(fù)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(kuò)展問題，而對于tms320lf2407的i/o擴(kuò)展問題，由于tms320lf2407器件有多達(dá)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(fù)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(fèi)系統(tǒng)資源，也為系統(tǒng)今后的升級留有余地。

◇ 輸出d/a通道部分

本系統(tǒng)的輸出通道部分主要負(fù)責(zé)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(zhuǎn)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2所示。

圖2中的緩沖電路的作用是對pwm口輸出的數(shù)字量進(jìn)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(shè)計時就應(yīng)當(dāng)選用輸入具有5v的ttl輸入，cmos輸出電平的轉(zhuǎn)換芯片（如ti公司的74hct04）；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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換成-5～+5v的正弦交流信號，并使其電壓增益為1。設(shè)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(dāng)?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(qū)動能力，可選用ad624來構(gòu)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1-1000之間的任意增益值，其誤差小于1%。由于ad624的建立時間只有15μs，所以它非常適宜在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用。

◇ 人機(jī)接口部分

（1）驅(qū)動器設(shè)計

位驅(qū)動器電路由兩片集成電路組成，即由位驅(qū)動的cmos芯片和將ttl電平轉(zhuǎn)換成cmos電平的電平轉(zhuǎn)換芯片組成，電平轉(zhuǎn)換芯片可以和輸出通道的電平轉(zhuǎn)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(jìn)行匹配，從而帶動具有cmos電平的位驅(qū)動器，根據(jù)動態(tài)掃描顯示的要求，位驅(qū)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(shè)計選用了ti公司的74ls06來做led的大電流驅(qū)動器件。

（2）鍵盤設(shè)計

本系統(tǒng)選用四個獨(dú)立式按鍵，分別接入pf3-pf6口，并使用四個220ω上拉電阻接vcc。所謂獨(dú)立式，就是將每一個獨(dú)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(jìn)制位）來反應(yīng)，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(shè)計，設(shè)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。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件可以按照模塊化設(shè)計思想來編寫，包括主程序、常數(shù)計算程序、占空比計算程序和相應(yīng)的一些功能子程序，主程序用于調(diào)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3所示的流程圖。

在程序中，應(yīng)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(shè)計時要在一個脈沖周期內(nèi)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個脈沖，這樣，也就是說，一個脈沖需要12.5μs（相當(dāng)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。

結(jié)束語

基于dsp實現(xiàn)的這種信號發(fā)生器充分發(fā)揮了dsp器件的主要性能優(yōu)勢，它比傳統(tǒng)的信號發(fā)生器具有一定的獨(dú)到之處，它編程靈活、操作簡單，體積小巧，電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，而且還有許多可擴(kuò)展的功能，故其使用面更加寬廣，鑒于dsp具有較高的性價比，且利用dsp作為主控制器來提高傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能已成為大勢所趨。因此，本系統(tǒng)的應(yīng)用對提高工程及教學(xué)實驗水平具有重要的意義。