基于DSP信号发生器的设计.docx
《基于DSP信号发生器的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于DSP信号发生器的设计.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于DSP信号发生器的设计
学号2009316020112编号20131601112研究类型理论研究分类号TP37
文理学院
毕业论文
论文题目
作者姓名
指导教师
所在院系
专业名称
完成时间基于DSP信号发生器的设计罗志伟闻辉信息工程系电子信息工程2012年5月12日
湖北师范学院文理学院学士学位论文（设计）诚信承诺书
目录
1前言...............................................................5
1.1课题背景.....................................................5
1.2课题研究的目的和意义..........................................5
1.3研究内容......................................................6
2系统原理分析......................................................6
2.1DDS的基本原理................................................6
2.2正弦波产生的方法..............................................7
3系统方案设计分析..................................................8
3.1采用高性能DDS单片电路的解决方案..............................8
3.2采用低频正弦波DDS单片电路的解决方案.........................8
3.3自行设计的基于FPGA芯片的解决方案...........................9
3.4采用高速的微处理芯片的解决方案...............................9
4总体方案设计.....................................................10
4.1硬件组成.....................................................10
4.2控制器部分...................................................10
4.3微输出D/A通道部分...........................................11
4.4驱动器设计...................................................12
4.5键盘设计....................................................12
5软件设计..........................................................12
5.1流程图.......................................................13
5.2正弦信号发生器程序清单......................................14
6系统仿真..........................................................20
6.1CCS工程项目的调试...........................................20
6.2仿真波形图..................................................20
7总结与分析..................................................................................................................................21
参考文献...........................................................21
致谢.............................................................22
基于DSP信号发生器的设计
罗志伟（指导老师，闻辉讲师）
（湖北师范学院文理学院信息工程系湖北黄石435002）
摘要：
在当今社会，信号发生器已经广泛地应用于雷达应用，通信系统的仿真与测
试等国防、科研和工业领域。
而随着社会的不断进步和科研的不断深入，对信号发生器的波形可编程性、波形的精度与稳定性等性能提出了更高的要求。
数字信号处理器（DSP）正是在基于高标准，高要求的情况下应运而生。
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。
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。
关键词：
信号发生器DSP可编程性
中图分类号：
TP37
DesignofsignalgeneratorbasedonDSP
LuoZhiwei（Tutor：
WenHui）
（DepartmentofInformationEngineer,CollegeofArts&ScienceofHubeiNormal
University,Huangshi,Hubei,435002
Abstract:
Intoday’ssociety,signalgeneratorhasbeenwidelyusedinradar
applications,communicationsystemsimulationandtesting,nationaldefense,scientificresearchandindustrialfield.Withthesocialprogressandscientificresearchunceasinglythorough,thesignalgeneratorcanbeputforwardhigherrequirementsofprogramming,waveformaccuracyandstabilityproperties.Digitalsignalprocessor（DSPisbasedonthehighstandard,highdemandsituationsemergeasthetimesrequire.DSPisaspecialprocessorintoadigitalsignalintheanalogsignalprocessingreal-timeafterspeed.Inthispaper,withthehelpofDSPhighspeedof
operation,thesignalgeneratorsystemdesignofintegratedstrength,ithasfasterspeedthanthepreviousdigitalsignalgenerator,andbeeasytoimplement.
Keywords:
signalgeneratorDSPProgrammability
基于DSP信号发生器的设计
罗志伟（指导老师，闻辉，讲师）
（湖北师范学院文理学院信息工程系湖北黄石435002）
1前言
1.1课题背景
在当今社会，信号发生器已经广泛地应用于雷达应用，通信系统的仿真与测试等国防、科研和工业领域。
而随着社会的发展和科技的进步，对信号发生器的波形可编程性、波形的精度与稳定性等性能提出了更高的要求。
正是在这个背景下，基于DSP的信号发生器正是以其编程的高度灵活性，波形的高精度与高稳定性等特点而脱颖而出，具有极大的应用价值和广泛的应用前景。
1.2课题研究的目的和意义
随着社会的发展，带动了科技的进步，更带动了DSP技术的发展，现代控制设备的性能和结构更发生了翻天覆地的变化，我们已悄然进入了高速发展的信息时代，DSP技术也将成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于社会生产的各个领域。
对于本次毕业设计，其目的在于：
了解DSP及DSP控制器的发展过程及其特点。
较熟练地在硬件上掌握DSP及DSP硬件器的结构、各部件基本工作原理。
熟悉CCS集成开发环境，并能较熟练的对CCS的开发系统进行使用。
熟悉用C语言、汇编语言编程DSP
源程序。
学习DSP程序的调试及编写，及运用观察变量的方法查看程序的运行情况。
掌握工程设计的流程及方法。
而传统的信号发生器要么就是体积庞大，价格昂贵，要么就是操作复杂，容易出错。
因此对研究出一个结构简单，操作方便，性价比较高的信号发生器有更大意义。
1.3研究内容
全文阐述了基于TMS32OVC54x和DDS技术实现信号发生器的设计原理和实现方法，详细介绍了所设计的信号发生器的硬件电路结构和程序设计流程图，以及汇编语言程序设计的正弦信号发生器。
此信号发生器对程序的编写、调试比较方便并能够加快了程序的运行速度，基本符合本次论文设计。
2系统原理分析
2.1DDS的基本原理
直接数字频率合成器（DerectDigitalSynthesizerDDS是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术[2]。
DDS是利用信号相位与幅度的关系,对需要合成信号的波形进行相位分割,对分割后的相位值赋予相应的地址,然后按时钟频率以一定的步长抽取这些地址，这样按照一定的步长抽取地址（相位累加器值的同时,输出相应的幅度样值,这些幅度样值的包络反映了需要合成信号的波形。
一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器（LPF）构成。
DDS的原理框图如图所示。
图2.1DDS的原理框图
2.2正弦波产生的方法
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：
x3x5x7x9
+-+-sin（x=x-3!
5!
7!
9!
2468xxxxcos（x=1-+-+-2!
4!
6!
8!
取泰勒级数的前5项，得近似计算式：
x3x5x7x9
sin（x=x-+-+3!
5!
7!
9!
x2x2x2x2
=x（1-（1-（1-（1-2⨯34⨯56⨯78⨯9
x2x4x6x8
cos（x=1-+-+2!
4!
6!
8!
x2x2x2x2=1-（1-（1-（1-23⨯45⨯67⨯8递推公式：
sin（nx=2cos（xsin[（n-1x]-sin[（n-2x]
cos（nx=2cos（xsin[（n-1x]-cos[（n-2x]
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-1x、sin（n-2x和cos（n-2x。
3系统方案设计分析
DDS的设计方案已经有很多的成熟方案，可以采用单片专用集成电路芯片解决，也可以用FPGA设计，还可以采用高速的微处理芯片来设计，基本的设计方案简介如下。
3.1采用高性能DDS单片电路的解决方案
AD9850是AD公司采用先进的DDS技术1996年推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。
接上精密时钟源，AD9850可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。
此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。
AD9850接口控制简单，可以用8位并行口或串行口经、相位等控制数据。
32位频率控制字，在125MHz时钟下，输出频率分产率达0.029Hz。
先进的CMOS工艺使AD9850不仅性能指标一流，而且功耗少，在3.3V供电时，功耗仅为155mW。
扩展工业级温度范围为-40～+85摄氏度，其封装是28引脚的SSOP表面封装。
AD9850采用32位相位累加器，截断成14位，输入正弦查询表，查询表输出截断成10位，输入到DAC。
DAC输出两个互补的模拟电流，接到滤波器上。
调节DAC满量程输出电流，需外接一个电阻Rset，其调节关系是Iset=32（1.248V/Rset），满量程电流为10～20mA。
3.2采用低频正弦波DDS单片电路的解决方案
MicroLinear公司的电源管理事业部推出低频正弦波DDS单片电路ML2035以其价格低廉、使用简单得到广泛应用。
ML2035生成的频率较低（0～25kHz），一般应用于一些需产生的频率为工频和音频的场合。
如用2片ML2035产生多频互控信号，并与AMS3104（多频接收芯片）或ML2031/2032配合，制作通信系统中的收发电路等。
可编程正弦波发生器芯片ML2035设计巧妙，具有可编程、使用方便、价格低廉等优点，应用范围广泛。
很适合需要低成本、高可靠性的低频正弦波信号的场合。
ML2037是新一代低频正弦波DDS单片电路，生成的最高频可达500kHz。
3.3自行设计的基于FPGA芯片的解决方案
DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。
可编程逻辑器件以其速度高、规模在、可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS技术。
利用FPGA则可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。
就可成信号质量而言，专用DDS芯片由于采用特定的集成工艺，内部数字信号抖动很小，可以输出高质量的模拟信号；利用FPGA也能输出较高质量的信号，虽然达不到专用DDS芯片的水平，但信号精度误差在允许范围之内。
3.4采用高速的微处理芯片的解决方案
在基于DDS原理的基础上，利用软件模拟出DDS专用芯片内部的各个硬件电路，同时利用微处理器的高速运算性能，同样可以达到专用的DDS芯片所产生的波形性能。
同时采用这种方案可以弥补专用芯片的不足点。
本文说讨论设计的方案是基于DSP的信号发生器的设计。
它具有如下优点：
速度快。
由于TMS320VC54xDSP指令周期25/20/15/12.5/10ns[10]，运算能力高达100MIPS，此外，它内部还集成了维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度，所以由它组成的信号发生器的波形生成速度快。
波形精度高。
由于TMS320VC54xDSP有优化的CPU结构，内部有1个40位算术逻辑单元，2个40位累加器，2个40位加法器，1个17×17的乘法器和1个40位的桶形移位器，有4条内部总线和2个地址产生器[6]，所以它能产生高精度的信号波形。
功耗低。
该信号发生器的组要部件TMS320C54x可以在3.3V或2.7V电压下工作，三个低功耗方式（IDLE1、IDLE2和IDLE3可以节省DSP的功耗[6]，从而降低信号发生器的功耗。
稳定性好。
该信号发生器的主要部件都是大规模的集成芯片，性能稳定，从而产生的波形信号也稳定。
成本较低。
利用DSP构成的信号发生器的大部分功能成本可以嵌入到DSP的软件中，而不是额外的硬件，大大的降低了成本和额外的开销。
编程方便。
DSP可以使用汇编语言，也可以使用C语言，在软件编程中的修改或升级都特别的方便。
本系统设计方案正是基于采用高速的微处理芯片的解决方案。
4总体方案设计
基于DSP的这些优点点，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。
用泰勒级数展开法实现正弦波信号。
设置波形时域观察窗口，得到其滤波前后波形变化图；设置频域观察窗口，得到其滤波前后频谱变化图。
4.1硬件组成
基于DSP的信号发生器的硬件结构图如图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TMS320LF2407DSP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，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，可以说，该方案既不算浪费系统资源，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3.2所示。
图4.3输出通道的原理结构
图3.2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15μs，所以它非常适宜在高速数据采集系统中使用。
4.4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3.3VTTL电平与5VCMOS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。
4.5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220Ω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。
5软件设计
5.1流程图
本系统软件可以按照模块化设计思想来编写，包括主程序、常数计算程序、占空比计算程序和相应的一些功能子程序，主程序用于调用各功能子程序、初始化变量、查询键盘、判断显示数据是否需要刷新、同时判断一个脉冲是否完成发送等工作，具体
方
案
见
图
5.1
所
示
的
流
程
图
。
图5.1主程序流程图
在程序中，应在第N-1个脉冲周期里计算占空比，并在第N个脉冲周期里输出波形，这就要求在设计时要在一个脉冲周期内完成计算，如果选用20MHz的晶振，那么，在一倍频下，执行一条执行只需50ns，若输出400Hz的正弦波，即每一个周期（即2.5ms）要输出200个脉冲，这样，也就是说，一个脉冲需要12.5μs（相当于12500/50=250条指令）。
而执行一个占空比的计算程序只需要几十条指令，这种算法从软件开销上考虑是可以实现的。
5.2正弦信号发生器程序清单
;ThisfunctiongeneratesthesinewaveofangleusingtheTaylorseriesexpansion;sin（theta=x（1-x^2/2*3（1-x^2/4*5（1-x^2/6*7（1-x^2/8*9;cos（theta=1-x^2/2*3（1-x^2/4*5（1-x^2/6*7（1-x^2/8*9;sin（2*theta=2*sin（theta*cos（theta.title"sin.asm".mmregs
.def_c_int00
.refsinx,d_xs,d_sinx,cosx,d_xc,d_cosxsin_x:
.usect"sin_x",360STACK:
.usect"STACK",10k_theta.set286PA0.set0_c_int00
.text
STM#STACK+10,SPSTMk_theta,AR0STM0,AR1STM#sin_x,AR6
STM#90,BRCRPTBloop1-1LDMAR1,ALD#d_xs,DPSTLA,@d_xsSTLA,@d_xcCALL
升级会员 