【文章內(nèi)容簡介】 ..............................42 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 基于 DSP 的信號發(fā)生器的設(shè)計 1 1 緒 論 信號發(fā)生器簡介 信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。 凡是產(chǎn)生測試信號的儀器，統(tǒng)稱為信號源，也稱為信號發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號。 信號源是根據(jù)用戶對其波形的命令來產(chǎn)生信號的電子儀器。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號（各種波形），然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)。可見信號源在電子實驗和測試處理中，并不測量任何參數(shù)，而是根據(jù)使用者的要求，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以達到測試的需要。 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(shù)字碼形?；旌托盘栐从挚煞譃楹瘮?shù)信號發(fā)生器和任意波形 /函數(shù)發(fā)生器，其中函數(shù)信號發(fā)生器輸出標準波形，如正弦波、方波等，任意波/函數(shù)發(fā)生器輸出用戶自定義的任意波形；邏輯信號發(fā)生器又可分為脈沖信號發(fā)生器和碼型發(fā)生器，其中脈沖信號發(fā)生器驅(qū)動較小個數(shù)的的方波或脈沖波輸出，碼型發(fā)生器生成許多通道的數(shù)字碼型。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(fā)生器、掃描信號發(fā)生器、頻率合成器、噪聲信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器等等。信號源也可以按照使用頻段分類，不同頻段的信號源對應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域。 函數(shù)信號發(fā)生器簡介 函數(shù)發(fā)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(diào)制和掃描功能。 函數(shù)波形發(fā)生器在設(shè)計上分為模擬式和數(shù)字合成式。眾所周知，數(shù)字合成式函數(shù)信號源（ DDS）無論就頻率、幅度乃至信號的信噪比（ S/N）均優(yōu)于模擬式，其鎖相環(huán)（ PLL）的設(shè)計讓輸出信號不僅是頻率精準，而且相位抖動（ phase Jitter）及頻率漂移均能達到相當(dāng)穩(wěn)定的狀態(tài)，但數(shù)字式信號源中，數(shù)字電路與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(shù)信號發(fā)生器，如今市場上的大部分函數(shù)信號發(fā)生器均為 DDS信號源。 函數(shù)信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常有以下幾種： 1）用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。 2）可以由晶體管、運放 IC 等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器 IC，如 L803 BA20 XR2207/2209 等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有 300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和 占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影響。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 基于 DSP 的信號發(fā)生器的設(shè)計 2 3）利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形，達到較高的頻率，且易于調(diào)試。 4）利用專用直接數(shù)字合成ＤＤＳ芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率 ，但成本較高 。 任意信號發(fā)生器簡介 任意波形發(fā)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。在我們實際的電路的運行中，由于各種干擾和響應(yīng)的存在，實際電路往往存在各種缺陷信號和瞬變信號，如果在設(shè)計之初沒有考慮這些情況，有的將會產(chǎn)生災(zāi)難性后果。任意 波發(fā)生器可以幫您完成實驗，仿真實際電路，對您的設(shè)計進行全面的測試。 由于任意波形發(fā)生往往依賴計算機通訊輸出波形數(shù)據(jù)。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，更進一步仿真實驗。另外，內(nèi)置一定數(shù)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?shù)接嬎銠C作更進一步分析與處理。有些任意波形發(fā)生器有波形下載功能，在作一些麻煩費用高或風(fēng)險性大的實驗時，通過數(shù)字示波器等儀器把波形實時記錄下來，然后通過計算機接口傳輸?shù)叫盘栐?，直接下載到設(shè)計電路，更進一步實驗驗證。 基于 DSP的信號發(fā)生器的產(chǎn)生 由于模擬技術(shù)實現(xiàn)的信號發(fā)生器要求大量的硬件來做支撐，所以它的復(fù)雜度會隨著波形的復(fù)雜度增加隨之不成比例增加，同時由模擬電路構(gòu)成的信號發(fā)生器不但參數(shù)的準確度你難以保證，而且體積和功耗都很大；而由數(shù)字電路構(gòu)成的信號發(fā)生器，體積較大，價格較貴；加上人們對特殊信號需求的增加，對波形的精度、穩(wěn)定性、幅度和頻率的可調(diào)性要求的增加，單純的模擬和數(shù)字電路構(gòu)成的信號發(fā)生器已經(jīng)難以滿足這些要求，在這中情況下，基于 DSP的信號發(fā)生器應(yīng)運而生。 基于 DSP的信號發(fā)生器的特點 1)速 度快 。由于 TMS320VC5410DSP指 令周期 25/20/15/， 運算能 力高達 100 MIPS，此外 ，它 內(nèi)部還集成了維特比加速器，用于提高維特比編譯碼的速度 ，所以由它組成的信號發(fā)生器的波形生成速度快。 2)波形精度高。由于 TMS320VC5410DSP有 優(yōu)化的 CPU結(jié)構(gòu) ， 內(nèi)部有 1個 40位算術(shù)邏輯單元， 2個 40位累加器， 2個 40 位加法器 ， 1個 1717 的乘法器和 1個 40位的桶形移位器 ，有 4條內(nèi)部總線和 2 個地址產(chǎn)生器 ，所以它能產(chǎn)生高精度的信號波形。 3)功耗低 。 該信號發(fā)生器的組要部件 TMS320C5410 可以在 ，三個低功耗方式（ IDLE IDLE2和 IDLE3）可以節(jié)省 DSP 的功耗， 從而降低信號發(fā)生器的功耗 。 4)穩(wěn)定性好 。 該信號發(fā)生器的主要部件都是大規(guī)模的集成芯片，性能穩(wěn)定，從而起產(chǎn)生的波形信號也穩(wěn)定。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 基于 DSP 的信號發(fā)生器的設(shè)計 3 5）成本較低。利用 DSP構(gòu)成的信號發(fā)生器的大部分功能成本可以嵌入到 DSP的軟件中，而不是額外的硬件，大大的降低了成本和額外的開銷。 6）可擴展性好。由于 DSP的可擴展性好，對以后的功能擴展留有余地。 7）頻率和幅度可調(diào)。由于波形的產(chǎn)生是通過對 DSP編程來實現(xiàn)的，所以很容易通過改變其中的某些參數(shù)而改變起頻率和幅度。改變定時器的中斷頻率來改變波形的頻率，改變 AD50的輸出增益設(shè)置來改變波形的幅度。 課題研究的主要內(nèi)容與要求 本課題采取理論分析和實驗研究相結(jié)合的方法開展信號發(fā)生器設(shè)計的研究工作，主要完成硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面的內(nèi)容，包括以下內(nèi)容與要求： （ 1） 掌握基 TMS320VC5410DSP實現(xiàn)信號發(fā)生器的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。 （ 2） 設(shè)計的信號發(fā)生器可產(chǎn)生矩形 、 三角 、 鋸齒 、 正弦等信號 ， 可對波形的有關(guān)參 數(shù)（幅度，頻率）進行設(shè)置。 （ 3） 完成相關(guān)的硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計并歸檔，為論文的撰寫準備材料。 （ 4） 發(fā)揮部分（可產(chǎn)生模擬幅度調(diào)制（ AM)信號，模擬頻率調(diào)制（ FM)信號，產(chǎn)生二進制 PSK， ASK信號等）。 （ 5） 完成畢業(yè)設(shè)計論文。 實現(xiàn)途徑 通過對 DSP編程實現(xiàn)所需要的信號波形，然后在定時器中斷的控制下使其與 AD50芯片進行串行通信，然后經(jīng)過 DA轉(zhuǎn)換輸出模擬波形。信號頻率可以通過改變定時器中斷的頻率來改變，而幅度可以通過 AD50芯片的相關(guān)設(shè)置來改變。 2 TMS320C5410DSP芯片 TMS320C5410是信號發(fā)生器設(shè)計方案中最為核心的一塊芯片，用以實現(xiàn)對波形信號的編程和串口通信的控制，因此單獨用一章作一介紹。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 基于 DSP 的信號發(fā)生器的設(shè)計 4 概述 TMS320C54x是為實現(xiàn)低功耗、高性能而專門設(shè)計的定點 DSP芯片，主要應(yīng)用在無線通信等應(yīng)用系統(tǒng)中。 TMS320C54x系列 DSP是 TI 公司在繼 TMS320C1x、 TMS320C2x和 TMS320C5x之后退出的新一代 16位定點數(shù)字信號處理器。 TMS320C54x的體系結(jié)構(gòu)采用先進的哈佛結(jié)構(gòu)，程序與數(shù)據(jù)分開存放，內(nèi)部具有 8條高速并行總線。 片內(nèi)集成有片外的存儲器和片內(nèi)的外設(shè)以及專門用途的硬件邏輯，并配備有功能強大的指令系統(tǒng)，使得芯片具有很高的處理速度和廣泛的應(yīng)用適應(yīng)性。再加上采用模塊化的設(shè)計以及先進的集成電路技術(shù)，芯片的功耗小、成本低、自推出以來已廣泛地應(yīng)用于移動通信。數(shù)字無線電、計算機網(wǎng)絡(luò)以及各種專門用途的實時嵌入式系統(tǒng)和儀器儀表中。 TMS320C5410DSP 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) TMS320C54x系列 DSP芯片雖然產(chǎn)品很多，但起體系結(jié)構(gòu)基本上是相同的，特別是核心 CPU部分，各個型號間差別主要是片內(nèi)的存儲器與片內(nèi)外設(shè)的配置。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu) 框圖如圖 1. TMS320C54x系列 DSP芯片結(jié)構(gòu)基本上可分為 3大塊： 1） CPU模塊 包括算術(shù)邏輯單元、乘法器、累加器、移位寄存器、各種專門用途的寄存器、地址生成器以及內(nèi)部總線。 2） 存儲器系統(tǒng) 包括 1624位外接存儲器接口、片內(nèi)的程序 ROM、片內(nèi)單訪問的數(shù)據(jù) RAM和雙訪問的數(shù)據(jù) RAM。 3） 片內(nèi)的外設(shè)與硬件電路 包括片內(nèi)的定時器、各種類型的串口、主機接口、片內(nèi)的鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器以及各種控制電路。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 基于 DSP 的信號發(fā)生器的設(shè)計 5 圖 1 TMS320C5410DSP 的主要特性 （ 1） CPU部分 1）先進的多總線結(jié)構(gòu)，具有 1條程序存儲器總線、 3條數(shù)據(jù)存儲器總線和 4條地址總線； 2） 40位的算術(shù)邏輯單元（ ALU），包括 40位的桶形移位寄存器和 2個獨立的 40位的累加器； 3） 17*17位的并行乘法器與一個 40位的專用加法器結(jié)合在一起，用于非流水線的單周期的乘 /累加操作； 4）比較選擇和存儲單元，用于 Viterbi操作的加 /比較選擇； 5）指數(shù)編碼器用于在單周期內(nèi)計算 40 位的累加器的指數(shù)值； 6)2個地址生成器，包括 8個輔助寄存器和 2個輔助寄存器算術(shù) 單元。 （ 2）存儲器系統(tǒng) 具有 16位 192k字的可尋址空間： 64k字的程序空間、 64k字的數(shù)據(jù)空間和 64k字的 I/O空間。 （ 3）片內(nèi)外設(shè)和專用電路 1）軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器； 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 基于 DSP 的信號發(fā)生器的設(shè)計 6 2）片內(nèi)鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器，可采用內(nèi)部振蕩器或外部時鐘源； 3）可編程的存儲器體轉(zhuǎn)換邏輯； 4）外部總線關(guān)斷電路可用來斷開外部數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制信號； 5）數(shù)據(jù)總線具有數(shù)據(jù)保持特性； 7)可編程的定時器； 8)直接誒存儲器訪問控制器； 9）可與主機直接連接的 8位并行主機接口，有些擴展有 16位的主機并行接口； 10）片內(nèi)的 串口可分為全雙工標準串口、時分多路串口、緩沖串口和多通道緩沖串口。 （ 4）片內(nèi)引導(dǎo)功能 能從片外的存儲器或片內(nèi)的串口將程序引導(dǎo)并裝入指定的存儲器。 （ 5）指令系統(tǒng) 1）單指令重復(fù)和塊重復(fù)操作指令； 2）用于程序和數(shù)據(jù)管理的存儲器塊傳送指令； 3） 32位長操作數(shù)指令； 4)同時讀入 2個或 3個操作數(shù)的指令； 5）并行存儲和裝入的算術(shù)指令； 6）條件存儲指令； 7）快速中斷返回指令； 8）具有延遲轉(zhuǎn)移和調(diào)用的指令； 9）具有指令的流水線結(jié)構(gòu)。 （ 6）執(zhí)行速度 1）單指令周期時間分為 25/20/15/； 2）每秒指令數(shù)為 40/50/66/80/100/200MIPS。 （ 7）電源和功耗 1）可采用 5v、 ； 2）可采用功耗下降指令 IDLE IDLE IDLE3控制芯片的功耗。 TMS320C5410DSP 的定時器 概述 片內(nèi)定時器是一個可編程的定時器，它由三個寄存器組成，分別為定時器寄存器（ TIM）、定時器周期寄存器（ PRD）和定時器控制寄存器（ TCR）。 片內(nèi)定時器可以用于周期性的產(chǎn)生 CPU 中斷。定時器的最高分辨率為處 理器的 CPU 時鐘速度。通過帶 4位預(yù)定標器的 16位計數(shù)器，可以獲得較大范圍的定時器頻率。 定時器寄存器 片內(nèi)定時器由三個存儲器映射寄存器組成，即定時器寄存器（ TIM）、定時器周期寄存器重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 基于 DSP 的信號發(fā)生器的設(shè)計 7 （ PRD）和定時器控制寄存器（ TCR）。這三個寄存器和他們的相關(guān)地址如表所示： 地址 寄存器名 說明 0024h TIM 定時器寄存器 0025h PRD 定時器周期寄存器 0026h TCR