基于DSP的正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

正弦信號(hào)發(fā)生器是信號(hào)中最常見(jiàn)的一種，它能輸出一個(gè)幅度可調(diào)、頻率可調(diào)的正弦信號(hào)，在這些信號(hào)發(fā)生器中，又以低頻正弦信號(hào)發(fā)生器最為常用，在科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中均有著廣泛應(yīng)用。

目前，常用的信號(hào)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(hào)發(fā)生器用于低頻信號(hào)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(hào)發(fā)生器，雖然其低頻性能好但體積較大，價(jià)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(shì)設(shè)計(jì)的這種信號(hào)發(fā)生器，比以前的數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器具有速度更快，且實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)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(gè)載波三角波相比較，由兩者的交點(diǎn)決定開(kāi)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(shí)時(shí)控制，又因?yàn)閷?shí)踐檢驗(yàn)對(duì)稱(chēng)波形比非對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法作為本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

這里說(shuō)明一下使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407（以下簡(jiǎn)稱(chēng)2407）來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)的原理：由于產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)需要有一個(gè)適合的定時(shí)器來(lái)重復(fù)產(chǎn)生一個(gè)與PWM周期相同的計(jì)數(shù)周期，并用一個(gè)比較寄存器來(lái)保持調(diào)制值，因此，比較寄存器的值應(yīng)不斷與定時(shí)寄存器的值相比較，這樣，當(dāng)兩個(gè)值相匹配時(shí)，就會(huì)在響應(yīng)的輸出上產(chǎn)生一個(gè)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(kāi)啟（或關(guān)閉）時(shí)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(hào)的寬度也將隨之改變。

通過(guò)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(hào)，而使用其中的通用定時(shí)器、全比較單元和單比較單元?jiǎng)t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(hào)，這些信號(hào)再經(jīng)過(guò)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(hào)了。事實(shí)上，在硬件上，DSP有兩個(gè)設(shè)計(jì)一樣的事件管理模塊（EVA/EVB），每一個(gè)事件管理模塊都有6個(gè)PWM輸出口，故可輸出兩組三相SPWM波，一般均可滿(mǎn)足通常的設(shè)計(jì)需要。

系統(tǒng)硬件組成

基于DSP的信號(hào)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(gè)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(chǔ)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(diǎn)，芯片內(nèi)部集成有32KB的FLASH程序存儲(chǔ)器、2KB的數(shù)據(jù)/程序RAM，兩個(gè)事件管理器模塊（EVE和EVB）、16通道A/D轉(zhuǎn)換器、看門(mén)狗定時(shí)器模塊、16位的串行外設(shè)接口（SPI）模塊、40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳（GPIO）以及5個(gè)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(gè)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(gè)完全相同的模塊（EVA和EVB）組成，每個(gè)模塊都含有2個(gè)通用定時(shí)器、3個(gè)比較器、6至8個(gè)PWM發(fā)生器、3個(gè)捕獲單元和2個(gè)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(chǔ)器的擴(kuò)展問(wèn)題，而對(duì)于TMS320LF2407的I/O擴(kuò)展問(wèn)題，由于TMS320LF2407器件有多達(dá)40個(gè)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(shí)際上，本系統(tǒng)只需要17路I/O信號(hào)，這樣，就可以為系統(tǒng)剩余50%多的I/O資源，因此可以說(shuō)，該方案既不算浪費(fèi)系統(tǒng)資源，也為系統(tǒng)今后的升級(jí)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(shí)現(xiàn)波形的輸出，此通道的入口為T(mén)MS320LF2407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(guò)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(shí)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(duì)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(jí)模擬電路濾波使用。這一部分電路由兩個(gè)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(jì)時(shí)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?舊??腞EF02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(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換成-5～+5V的正弦交流信號(hào)，并使其電壓增益為1。設(shè)計(jì)使可利用差分式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，為了簡(jiǎn)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(shí)適當(dāng)?shù)倪x取電阻以滿(mǎn)足要求，此外，為了使產(chǎn)生的正弦波信號(hào)具有2-5mA的驅(qū)動(dòng)能力，可選用AD624來(lái)構(gòu)成末級(jí)的信號(hào)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(shí)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(dòng)器設(shè)計(jì)

位驅(qū)動(dòng)器電路由兩片集成電路組成，即由位驅(qū)動(dòng)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(duì)DSP輸出的3.3V TTL電平與5V CMOS電平進(jìn)行匹配，從而帶動(dòng)具有CMOS電平的位驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)動(dòng)態(tài)掃描顯示的要求，位驅(qū)動(dòng)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(jì)選用了TI公司的74LS06來(lái)做LED的大電流驅(qū)動(dòng)器件。

（2）鍵盤(pán)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用四個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別接入PF3-PF6口，并使用四個(gè)220Ω上拉電阻接VCC。所謂獨(dú)立式，就是將每一個(gè)獨(dú)立鍵按一對(duì)一地直接接到I/O輸入線(xiàn)上，而在讀鍵值時(shí)，直接讀I/O口，每一個(gè)鍵的狀態(tài)通過(guò)讀入鍵值的一位（二進(jìn)制位）來(lái)反應(yīng)，所以這種方式也稱(chēng)為一維直讀方式，這種方式的查鍵軟件比較簡(jiǎn)單，但占用I/O線(xiàn)較多，一般在鍵的數(shù)量較少時(shí)采用，不過(guò)，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(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)可以充分利用這一特點(diǎn)來(lái)連接硬件，至于按鍵的削抖動(dòng)措施，則可在軟件中完成。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件可以按照模塊化設(shè)計(jì)思想來(lái)編寫(xiě)，包括主程序、常數(shù)計(jì)算程序、占空比計(jì)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(xún)鍵盤(pán)、判斷顯示數(shù)據(jù)是否需要刷新、同時(shí)判斷一個(gè)脈沖是否完成發(fā)送等工作，具體方案見(jiàn)圖3所示的流程圖。

在程序中，應(yīng)在第N-1個(gè)脈沖周期里計(jì)算占空比，并在第N個(gè)脈沖周期里輸出波形，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)要在一個(gè)脈沖周期內(nèi)完成計(jì)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(gè)周期（即2.5ms）要輸出200個(gè)脈沖，這樣，也就是說(shuō)，一個(gè)脈沖需要12.5μs（相當(dāng)于12500/50=250條指令）。而執(zhí)行一個(gè)占空比的計(jì)算程序只需要幾十條指令，這種算法從軟件開(kāi)銷(xiāo)上考慮是可以實(shí)現(xiàn)的。

結(jié)束語(yǔ)

基于DSP實(shí)現(xiàn)的這種信號(hào)發(fā)生器充分發(fā)揮了DSP器件的主要性能優(yōu)勢(shì)，它比傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器具有一定的獨(dú)到之處，它編程靈活、操作簡(jiǎn)單，體積小巧，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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?xún)r(jià)比，且利用DSP作為主控制器來(lái)提高傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能已成為大勢(shì)所趨。因此，本系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)提高工程及教學(xué)實(shí)驗(yàn)水平具有重要的意義。