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基于DSP实现的信号发生器设计解析
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2017-10-31
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正弦信号发生器是信号中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号，在这些信号发生器中，又以低频正弦信号发生器最为常用，在科学研究及生产实践中均有着广泛应用。
目前，常用的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的，当这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不但参数准确度难以保证，而且体积大和功耗都很大，而由数字电路构成的低频信号发生器，虽然其低频性能好但体积较大，价格较贵，而本文借助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。
系统原理
一般的采样型SPWM法分自然采样法和规则采样法，自然采样法是将基准正弦波与一个载波三角波相比较，由两者的交点决定开关模式的方法。由于自然采样法得到的数学模型需要解超越方程，因而并不适合微控制器进行实时控制，又因为实践检验对称波形比非对称波形在三相电的相电流中引起的谐波失真小，所以我们使用对称规则采样法作为本系统的数学模型。
这里说明一下使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407（以下简称2407）来产生PWM信号的原理：由于产生一个PWM信号需要有一个适合的定时器来重复产生一个与PWM周期相同的计数周期，并用一个比较寄存器来保持调制值，因此，比较寄存器的值应不断与定时寄存器的值相比较，这样，当两个值相匹配时，就会在响应的输出上产生一个转换（从低到高或从高到低），从而产生输出脉冲，输出的开启（或关闭）时间与被调制的数值成正比，因此，改变调制数值，相关引脚上输出的脉冲信号的宽度也将随之改变。
通过TMS320LF2407的事件管理器模块可以产生一定占空比的PWM脉冲信号，而使用其中的通用定时器、全比较单元和单比较单元则均可发出PWM脉冲，由DSP的PWM口可输出一系列等幅不等宽的PWM波形信号，这些信号再经过外围一系列调理电路的变换之后，便可以得到所需要的三相交流正弦波信号了。事实上，在硬件上，DSP有两个设计一样的事件管理模块（EVA/EVB），每一个事件管理模块都有6个PWM输出口，故可输出两组三相SPWM波，一般均可满足通常的设计需要。
系统硬件组成
基于DSP的信号发生器的硬件结构图如图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。
◇ 控制器部分
本系统采用TI公司的TMS320LF2407 DSP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，因此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，而实际上，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，因此可以说，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。
目前，常用的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的，当这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不但参数准确度难以保证，而且体积大和功耗都很大，而由数字电路构成的低频信号发生器，虽然其低频性能好但体积较大，价格较贵，而本文借助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。
系统原理
一般的采样型SPWM法分自然采样法和规则采样法，自然采样法是将基准正弦波与一个载波三角波相比较，由两者的交点决定开关模式的方法。由于自然采样法得到的数学模型需要解超越方程，因而并不适合微控制器进行实时控制，又因为实践检验对称波形比非对称波形在三相电的相电流中引起的谐波失真小，所以我们使用对称规则采样法作为本系统的数学模型。
这里说明一下使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407（以下简称2407）来产生PWM信号的原理：由于产生一个PWM信号需要有一个适合的定时器来重复产生一个与PWM周期相同的计数周期，并用一个比较寄存器来保持调制值，因此，比较寄存器的值应不断与定时寄存器的值相比较，这样，当两个值相匹配时，就会在响应的输出上产生一个转换（从低到高或从高到低），从而产生输出脉冲，输出的开启（或关闭）时间与被调制的数值成正比，因此，改变调制数值，相关引脚上输出的脉冲信号的宽度也将随之改变。
通过TMS320LF2407的事件管理器模块可以产生一定占空比的PWM脉冲信号，而使用其中的通用定时器、全比较单元和单比较单元则均可发出PWM脉冲，由DSP的PWM口可输出一系列等幅不等宽的PWM波形信号，这些信号再经过外围一系列调理电路的变换之后，便可以得到所需要的三相交流正弦波信号了。事实上，在硬件上，DSP有两个设计一样的事件管理模块（EVA/EVB），每一个事件管理模块都有6个PWM输出口，故可输出两组三相SPWM波，一般均可满足通常的设计需要。
系统硬件组成
基于DSP的信号发生器的硬件结构图如图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。
◇ 控制器部分
本系统采用TI公司的TMS320LF2407 DSP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，因此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，而实际上，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，因此可以说，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。
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