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基于DSP和SOPC數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
（作者未知） 2010/4/20
基于DSP和SOPC數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
O 引 言
數(shù)字信號(hào)發(fā)生器是在電子電路設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和儀表測量校正調(diào)試中應(yīng)用很多的一種信號(hào)發(fā)生裝置和信號(hào)源。而正弦信號(hào)是一種頻率成分最為單一的常見信號(hào)源，任何復(fù)雜信號(hào)(例如聲音信號(hào))都可以通過傅里葉變換分解為許多頻率不同、幅度不等的正弦信號(hào)的疊加，廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)試驗(yàn)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和通信、儀器儀表、控制等領(lǐng)域的信號(hào)處理系統(tǒng)中及其他機(jī)械、電聲、水聲及生物等科研領(lǐng)域。
目前，常用的信號(hào)發(fā)生器絕大部分由模擬電路或數(shù)字電路構(gòu)成，體積和功耗都很大，價(jià)格也比較貴。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以DSP微處理器及 DSP軟硬件開發(fā)系統(tǒng)(例如集成開發(fā)環(huán)境CCS)及配套產(chǎn)品為內(nèi)容已形成了龐大并極具前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，而可編程邏輯器件、SOPC等新技術(shù)的應(yīng)用迅速滲透到電子、信息、通信等領(lǐng)域。這里分別借助DSP芯片運(yùn)算速度高，功耗低，實(shí)時(shí)分析的優(yōu)勢(shì)以及SOPC技術(shù)靈活的可配置性、較高的可靠性、硬件升級(jí)容易等優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了正弦信號(hào)發(fā)生器，并對(duì)各自設(shè)計(jì)過程及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。
1 基于DSP設(shè)計(jì)正弦信號(hào)發(fā)生器
1．1 正弦波產(chǎn)生原理
一般情況，產(chǎn)生正弦波的方法有兩種：查表法和泰勒級(jí)數(shù)展開法。查表法是使用比較普遍的方法，優(yōu)點(diǎn)是處理速度快，調(diào)頻調(diào)相容易，精度高，但需要的存儲(chǔ)器容量很大。泰勒級(jí)數(shù)展開法需要的存儲(chǔ)單元少，具有穩(wěn)定性好，算法簡單，易于編程等優(yōu)點(diǎn)，而且展開的級(jí)數(shù)越多，失真度就越小。本文采用了泰勒級(jí)數(shù)展開法。一個(gè)角度為θ的正弦和余弦函數(shù)，可以展開成泰勒級(jí)數(shù)，取其前5項(xiàng)進(jìn)行近似得：
1．2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要由微機(jī)、DSP芯片、數(shù)／模轉(zhuǎn)換模塊組成。其中，DSP芯片采用的是TI公司性價(jià)比良好的TMS320VC5402。它有一組程序總線和三組數(shù)據(jù)總線、高度并行性的算術(shù)邏輯單元ALU、專用硬件邏輯片內(nèi)存儲(chǔ)器、增強(qiáng)型HPI口和高達(dá)100 MHz的CPU頻率。它可以在一個(gè)周期里完成兩個(gè)讀和一個(gè)寫操作，并且具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。D／A采用了一種雙極型8位、低功耗數(shù)／模轉(zhuǎn)換器DAC08，實(shí)現(xiàn)了高速同步數(shù)／模轉(zhuǎn)換。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1．3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)是基于CCS開發(fā)環(huán)境的。CCS是TI公司推出的為開發(fā)TMS320系列DSP軟件的集成開發(fā)環(huán)境，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一。它提供了環(huán)境配置、源文件編譯、編譯連接、程序調(diào)試、跟蹤分析等環(huán)節(jié)，并把軟、硬件開發(fā)工具集成在一起，使程序的編寫、匯編、程序的軟硬件仿真和調(diào)試等開發(fā)工作在統(tǒng)一的環(huán)境中進(jìn)行，從而加速軟件開發(fā)進(jìn)程。本文采用了與硬件開發(fā)板相結(jié)合的在線編程模式，通過CCS軟件平臺(tái)上應(yīng)用C語言及C54X匯編語言來實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)發(fā)生裝置。
軟件設(shè)計(jì)的思想是：正弦波的波形可以看作由無數(shù)點(diǎn)組成，這些點(diǎn)與x軸的每一個(gè)角度值相對(duì)應(yīng)，可以利用DSP處理器處理大量重復(fù)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)來計(jì)算x軸每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的y的值(在x軸取N個(gè)點(diǎn)進(jìn)行逼近)。整個(gè)系統(tǒng)軟件由主程序和基于泰勒展開法的SIN子程序組成，相應(yīng)的軟件流程圖如圖2和圖3所示。
程序中，N值為產(chǎn)生正弦信號(hào)一個(gè)周期的點(diǎn)數(shù)，產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率與N數(shù)值大小及D／A轉(zhuǎn)換頻率fDA有關(guān)，產(chǎn)生正弦波信號(hào)頻率f的計(jì)算公式為：
f=fDA/N
因此，選擇每個(gè)正弦周期中的樣點(diǎn)數(shù)，改變每個(gè)采樣點(diǎn)之間的延遲，即通過調(diào)節(jié)N值產(chǎn)生不同頻率的波形，同時(shí)也可以利用軟件改變輸出的離散波形值乘以相應(yīng)的縮放因子A，從而調(diào)節(jié)波形的幅度。將程序裝載到DSP目標(biāo)芯片中，波形實(shí)現(xiàn)結(jié)果可以在CCS圖形顯示界面直觀地表示出來(見圖4)或者用示波器觀察輸出結(jié)果如圖5所示。
輸出結(jié)果顯示，在CCS圖形觀察窗口得到了頻率穩(wěn)定，信號(hào)干擾小，波形失真度較小的正弦信號(hào)；利用示波器也可觀察到波形較好，穩(wěn)定的正弦信號(hào)。
2 基于SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)正弦信號(hào)發(fā)生器
盡管DSP處理器(如TI的TMS320系列)在過去很長一段時(shí)間幾乎是DSP應(yīng)用系統(tǒng)核心器件的惟一選擇。但由于其自身的局限性，例如不靈活的硬件結(jié)構(gòu)，使得其很難滿足當(dāng)今迅速發(fā)展的DSP應(yīng)用市場�，F(xiàn)代大容量、高速度、內(nèi)嵌有各種DSP模塊的FPGA和相應(yīng)的SOPC技術(shù)出現(xiàn)，使得數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)更加容易。
2．1 DDFS原理
直接數(shù)字頻率合成(DDFS)電路由系統(tǒng)時(shí)鐘、相位累加器、頻率累加器、波形查找表、D／A轉(zhuǎn)換器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。DDFS的工作原理是在每個(gè)時(shí)鐘周期，用頻率累加器以輸（未完，下一頁）
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