基于DSP的信號發生器——正弦信號院 系：班 級：學 號：姓 名：老 師：_2015年12月15日一、DSP簡介數字信號處理(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。數字信號處理的目的是對真實世界的連精品文檔放心下載續模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數字信號處理之前需要將信號從模擬域轉換到數字域，這通常通過模數轉換器實現。而數字信號處理的輸出經常也要變換到模擬域，這是通過數模轉換器實現的。謝謝閱讀20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發展，數字信號處理技術應運而生并得到迅速的發展。數字信號處理是一種通過使用數學技巧執行轉換或提取信息，來處理現實信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過去的二十多年時間里，信號處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用。感謝閱讀圖1是數字信號處理系統的簡化框圖。此系統先將模擬信號轉換為數字信號，經數字信號處理后，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，信精品文檔放心下載號經采樣和A/D轉換后，變成數字信號x(n)。數字信號處理器對x(n)進行處理，得到輸出數字信號y(n),經D/A轉換器變成模擬信號。此信號經低通濾波器，濾除不需要的高頻分量，最后輸出平滑的模擬信號y(t)。謝謝閱讀_抗混疊x(n)數字信x(t)A/D濾波器號處理y(n)y(t)低通濾D/A波器圖1數字信號處理系統簡化框圖數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。例精品文檔放心下載如，在數學領域，微積分、概率統計、隨機過程、數值分析等都是數字信號處謝謝閱讀理的基本工具，與網絡理論、信號與系統、控制論、通信理論、故障診斷等也精品文檔放心下載密切相關。近來新興的一些學科，如人工智能、模式識別、神經網絡等，都與感謝閱讀數字信號處理密不可分。可以說，數字信號處理是把許多經典的理論體系作為感謝閱讀自己的理論基礎，同時又使自己成為一系列新興學科的理論基礎。精品文檔放心下載二、信號發生器簡介信號源有很多種分類方法，其中一種方法可分為混和信號源和邏輯信號源謝謝閱讀兩種。其中混和信號源主要輸出模擬波形，邏輯信號源輸出數字波形。混和信感謝閱讀號源又可分為函數信號發生器和任意波形 /函數發生器，其中函數信號發生器輸感謝閱讀出標準波形，如正弦波、方波等，任意波 /函數發生器輸出用戶自定義的任意波謝謝閱讀形；另外，信號源還可以按照輸出信號的類型分類，如射頻信號發生器、掃描謝謝閱讀信號發生器、頻率合成器、噪聲信號發生器、脈沖信號發生器等等。信號源也感謝閱讀可以按照使用頻段分類，不同頻段的信號源對應不同應用領域。謝謝閱讀函數信號發生器:_函數發生器是使用最廣的通用信號源，提供正弦波、鋸齒波、方波、脈沖波等波形，有的還同時具有調制和掃描功能。精品文檔放心下載函數波形發生器在設計上分為模擬和數字合成式。眾所周知，數字合成式謝謝閱讀函數信號源（DDS）無論就頻率、幅度乃至信號的信噪比（S/N）均優于模擬式，其鎖相環（PLL）的設計讓輸出信號不僅是頻率精準，而且相位抖動（phaseJitter）及頻率漂移均能達到相當穩定的狀態，但數字式信號源中，數字電路與精品文檔放心下載模擬電路之間的干擾始終難以有效克服，也造成在小信號的輸出上不如模擬式的函數信號發生器，如今市場上的大部分函數信號發生器均為DDS信號源。精品文檔放心下載任意信號發生器:任意波形發生器，是一種特殊的信號源，不僅具有一般信號源波形生成能力，而且可以仿真實際電路測試中需要的任意波形。感謝閱讀由于任意波形發生往往依賴計算機通訊輸出波形數據，在計算機傳輸中，通過專用的波形編輯軟件生成波形，有利于擴充儀器的能力，和更進一步的仿真實驗。另外，內置一定數量的非易失性存儲器，隨機存取編輯波形，有利于參考對比，或通過隨機接口通訊傳輸到計算機作更進一步分析與處理。有些任意波形發生器有波形下載功能，在作一些麻煩費用高或風險性大的實驗時，通過數字示波器等儀器把波形實時記錄下來，通過計算機接口傳輸到信號源，直接下載到設計電路，更進一步實驗驗證。謝謝閱讀正弦信號發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，在這些信號發生器中，又以低頻正弦信號發生器最為常用，在科學研究及生產實踐中均有著廣泛應用。感謝閱讀目前，常用的信號發生器絕大部分是由模擬電路構成的，當這種模擬信號精品文檔放心下載_發生器用于低頻信號輸出往往需要的RC值很大，這樣不但參數準確度難以保證，而且體積大和功耗都很大，而由數字電路構成的低頻信號發生器，雖然其低頻精品文檔放心下載性能好但體積較大，價格較貴。利用DSP運算速度高，系統集成度強的優勢設計的這種信號發生器，比以前的數字式信號發生器具有速度更快，且實現更加簡便。正弦信號發生器是信號中最常見的一種，可輸出一個幅度可調、頻率可調的正弦、三角、方波等信號，在這些信號中，低頻正弦信號最為常用，在科學研究及生產實踐中均有著廣泛應用。感謝閱讀DDS在相對帶寬、頻率轉換時間、高分辨率、相位連續性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統頻率合成技術所能達到的水平，為系統提供了優于模擬信號源的性能。精品文檔放心下載1）輸出頻率相對帶寬較寬輸出頻率帶寬為50%fs（理論值）。但考慮到低通濾波器的特性和設計難度以及對輸出信號誤差的抑制，實際的輸出頻率帶寬仍能達到40%fs。精品文檔放心下載2）頻率轉換時間短DDS是一個開環系統，無任何反饋環節，這種結構使得DDS的頻率轉換時間極短。事實上，在DDS的頻率控制字改變之后，需經過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現頻率的轉換。因此，頻率時間等于頻率控制字的傳輸，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉換時間越短感謝閱讀3）頻率分辨率極高若時鐘fs的頻率不變，DDS的頻率分辨率就是則相位累加器的位數N決定。只要增加相位累加器的位數N即可獲得很小的分辨率。目前，大多數DDS的分辨率在1Hz數量級，許多小于1mHz甚至更小。謝謝閱讀_4）相位變化連續改變DDS輸出頻率，實際上改變的每一個時鐘周期的相位增量，相位函數的曲線是連續的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發生了突變，因而保持了信號相位的連續性。謝謝閱讀正弦波信號發生器已被廣泛地應用于通信、儀器儀表和工業控制等領域的信號處理系統中。通常有兩種方法可以產生正弦波，分別為查表法和泰勒級數展開法。查表法是通過查表的方式來實現正弦波，主要用于對精度要求不很高的場合。泰勒級數展開法是根據泰勒展開式進行計算來實現正弦信號，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。精品文檔放心下載泰勒級數法：泰勒級數展開法是根據泰勒展開式進行計算來實現正弦信號，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，但因其運算量較謝謝閱讀大,所以適用于對速度要求不嚴格的場合。一個角度為θ的正弦和余弦函數,都可以展開成泰勒級數,取其前五項進行近似:感謝閱讀xxx3x5x7x9sin()3!5!7!9!(x2(x2(x2(x2))))x123145167189cos(x)1x2x4x6x88!2!4!6!1x2(x2(x2(x2)))1112345678遞推公式：sin(nx)=2cos(x)sin[(n-1)x]-sin[(n-2)x]感謝閱讀cos(nx)=2cos(x)sin[(n-1)x]-cos[(n-2)x]謝謝閱讀_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。精品文檔放心下載式中x為的弦度值，x=2×f/fs，其中f是要發生的信號頻率，fs是采樣頻謝謝閱讀率。正弦波可以看成是無數個點組成的，這些點與x軸的每個角度值對應，通過給x賦不同的值就得到每一點的正弦波幅度值。感謝閱讀查表法：正弦波是一個周期信號，因此相隔一個周期的角度值最后得到的波形幅度值是一樣的。同時在數字電路中正弦波可以看成是無數個點組成的，這些點連謝謝閱讀接成一條曲線就是我們平時看到的正弦波。每個點與x軸的每個角度值對應，通過賦給x不同的值就得到每一點的正弦波幅度值。精品文檔放心下載查表法的基本思想是預先在一片存儲空間里存儲一個正弦波的離散信號，存儲的點數需要根據設計要求而定，需要產生信號時，根據設定的頻率字改變謝謝閱讀相位，由相位值轉化為對應的地址，得到相應的幅度值送至D/A轉換器進行轉換，得到模擬正弦波。感謝閱讀查表法的優點是可以不需要進行計算就可以得到相應的數據，合成正弦波的速度極快，適合于對實時性要求非常嚴格的場合。它的缺點是需要很大的存儲空間來存儲波形數據，對波形的精確度越高，需要存儲的點數就越多，所消耗的存儲空間就越大。精品文檔放心下載_三、設計并實現正弦信號發生器本文所設計的信號源是基于 DSP芯片的，由于DSP具有高速運算性能，由精品文檔放心下載_于初學DSP，采用泰勒級數展開法得到正弦信號，雖然耗費時間多，精度相對感謝閱讀較低，但是容易操作。基于DSP的信號發生器的硬件結構圖如圖 2所示，它主要由DSP主控制器，精品文檔放心下載輸出D/A通道和人機界面等幾個主要部分組成。獨立式四鍵功能鍵段驅動器緩沖及電平有源濾波2*SN74LS07轉換電路電路DSP微控制器四位LED減法電路TMS320LF2407PGE位驅動器74LS07輸出三相放大電路正弦波AD624電源（自帶Clock復位功能）Circuit圖2基于DSP的信號發生器系統框圖采用TI公司的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的數據/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個外部中斷和系統監視模塊。謝謝閱讀_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感謝閱讀（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、雙向的數字I/O（GPIO）引腳，且其中大多數的基本功能和一般I/O復用的引腳，而實際上，本系統只需要17路I/O信號，這樣，就可以為系統剩余50%多的I/O資源，因此可以說，該方案既不算浪費系統資源，也為系統今后的升級留有余地。精品文檔放心下載輸出通道部分主要負責實現波形的輸出，此通道的入口為 TMS320LF2407謝謝閱讀的PWM8口，可輸出SPWM等幅脈沖，出口為系統的輸出端，這樣，經過一系感謝閱讀列的中間環節，便可將PWM脈沖波轉化為交流正弦波形，從而實現正弦波的輸精品文檔放心下載出，其原理框圖如圖3所示。DSP的電平低通PWN緩沖轉換濾波減法輸出電路電路輸出電路電路圖3輸出通道的原理結構圖3中的緩沖電路的作用是對PWM口輸出的數字量進行緩沖，并將電壓拉謝謝閱讀_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）；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精密穩壓電源可選用BURR-BROWN公司生產的REF02型精密穩壓電源，以輸出標準的5V電壓。感謝閱讀系統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，同時適當的選取電阻以滿足要求，此外，為了使產生的正弦波信精品文檔放心下載號具有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1-1000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據采集系統中使用。精品文檔放心下載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精品文檔放心下載轉換芯片共用一片74HCT244（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，根據動態掃描顯示的要求，位驅動器需要選用每路輸出吸收電流謝謝閱讀都要大于200mA的芯片，因此，選用了TI公司的74LS06來做LED的大電流驅動器件。謝謝閱讀選用四個獨立式按鍵，分別接入PF3-PF6口，并使用四個220Ω上拉電阻接感謝閱讀_VCC。所謂獨立式，就是將每一個獨立按鍵一對一地直接接到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，謝謝閱讀但占用I/O線較多，一般在鍵的數量較少時采用，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。精品文檔放心下載按照模塊化設計思想來編寫，包括主程序、常數計算程序、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、判斷顯示數據是否需要刷新、同時判斷一個脈沖是否完成發送等工作，下圖4流程圖:感謝閱讀_主程序中的循環子程序開始判斷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出標志寄存器=1？清脈沖發出標志寄存器，調計算占空比程序判斷是否在延時程序中調用本程序返回圖4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個脈沖周期里輸謝謝閱讀出波形，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的謝謝閱讀晶振，那么，在一倍頻下，執行一條執行只需 50ns，若輸出400Hz的正弦波，精品文檔放心下載即每一個周期（即2.5ms）要輸出200個脈沖，這樣，也就是說，一個脈沖需要精品文檔放心下載12.5μs（相當于12500/50=250條指令）。而執行一個占空比的計算程序只需要感謝閱讀_幾十條指令，這種算法實際是很容易實現的。四、測試結果測試結果：_五、結果分析設計時間雖短，但是這次我也基本熟悉了一種新的集成開發環境CCS，在學習新的知識的過程中培養與提升了自己學習能力。對仿真器驅動程序的安裝精品文檔放心下載以