【導(dǎo)讀】DSP的PWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。硬件設(shè)計(jì)方面，基于DSP. 芯片的相關(guān)特點(diǎn)，采用了DSP的LF2407芯片來(lái)完成本課題的硬件電路設(shè)計(jì)。及調(diào)試過(guò)程，最后對(duì)本設(shè)計(jì)的可行性和性能誤差進(jìn)行了分析。

　　

【正文】 有著廣泛的應(yīng)用，可以用它來(lái)控制各種電機(jī)、電力電子設(shè)備、逆變器等，用途非常廣泛，可以說(shuō)很多控制最終都是由程序計(jì)算出的 PWM 波形來(lái)控制的。同時(shí)它也是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。簡(jiǎn)而言之， PWM 是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。這三種 PWM 輸出編碼的分別是強(qiáng)度為滿度值的 10%、 50%和 90%的三種不同模擬信號(hào)值。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長(zhǎng)通信距離 。 （ 2） 在 DSP 中實(shí)現(xiàn)連續(xù)的 PWM 波形可采取以下研究手段來(lái)實(shí)現(xiàn)：采用 DSP的 LF2407 芯片的通用定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 波形。 LF2407 芯片 有兩個(gè)事件管理器（ EVA 和 EVB），每個(gè)事件管理器又有兩個(gè)通用定時(shí)器（ EVA 的是 TIMER1 和TIMER2， EVB 的是 TIMER3， TIMER4，）每個(gè)通用定時(shí)器都能獨(dú)立地提供一個(gè) PWM 波輸出通道，所以 利用 LF2407 的通用定時(shí)器最多可以提供 4PWM 波輸出。 在通用定時(shí)器中可以選擇連續(xù)增計(jì)數(shù)模式或者連續(xù)增 /減計(jì)數(shù)模式來(lái)產(chǎn)生PWM 波輸出。用連續(xù)增計(jì)數(shù)模式時(shí)，可 以產(chǎn)生邊沿觸發(fā)的非對(duì)稱的 PWM 波；用連續(xù)增 /減計(jì)數(shù)模式時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)載波周期內(nèi)兩次觸發(fā)的對(duì)稱的 PWM 波。當(dāng)通用定時(shí)器產(chǎn)生比較匹配時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)，并使得 PWM 波輸出引腳的電平發(fā)生跳變，如果要產(chǎn)生 PWM 波形的占空比變化，只需要在線計(jì)算出相對(duì)于占空比寬度的值，并加載到通用定時(shí)器的比較寄程器中即可。 采用該方法輸出的 PWM 波不需要 CPU 參與工作，節(jié)省了系 統(tǒng)資源，但是它的缺點(diǎn)是不能輸出一對(duì)極性相反的 PWM 脈沖，并且在死區(qū)控制上有一定的難度，不適合在電力電子的橋式逆變器中使用，只適用與產(chǎn)生一些常用的波形，如正弦波、三角波等。 （ 3） 可行性分析 : ,技術(shù)比較成熟。 工業(yè)控制中 。 。 隨著 DSP技術(shù)的高速發(fā)展， 基于 DSP的 脈寬調(diào)制 (PWM)波形發(fā)生器 的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛， 基于 DSP 的 脈寬調(diào)制 (PWM)波形發(fā)生器 的種攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 PWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法 16 類也越來(lái)越多，它與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切 。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 PWM波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì) 17 4 PWM 波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì) PWM 波形發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu) PWM 波形產(chǎn)生原理 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)稱波形比非對(duì)稱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 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，一般均可滿足通常的設(shè)計(jì)需要。 TMS320LF2407 的介紹 TMS320LF2407 是德州儀器公司（ TI）推出的 16 位定點(diǎn) DSP。如圖 41 所示。它除了具有 TMS320 系列 DSP 的基本功能外，還具有以下一些特點(diǎn)： （ 1）用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 ，減少了控制器的功耗。 （ 2）內(nèi)有高達(dá) 32K 16 位的 Flash 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 16位的數(shù)據(jù) /程序 RAM， 544 16位雙端口 RAM（ DARAM）， 2K 16 位的單口 RAM（ SARAM）。 （ 3） 2個(gè)事件管理模塊 EVA和 EAB，事件管理模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。 （ 4）可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共 192K 16位，其中程序存儲(chǔ)器空間、數(shù)據(jù)存攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 PWM波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì) 18 儲(chǔ)器空間、 I/O 尋址空間各為 64K 16 位。 （ 5）內(nèi)有看門狗定時(shí)器（ WDT）、 10 位 ADC 轉(zhuǎn)換器、控制器區(qū)域網(wǎng)模塊 、串行通信接口模塊 (SCI)、 16 位串行外部設(shè)備接口模塊 (SPI)、基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。 （ 6） 5 個(gè)外部中斷（兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷）； 3 種低功耗電源管理模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。 此外，該芯片有多達(dá) 41 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用 I/O 腳（ GPIO），用戶可根據(jù)自己的需求進(jìn)行軟件設(shè)置，使之在應(yīng)用中具有極大的靈活性。概括來(lái)說(shuō)，TMS320LF2407 具有極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開(kāi)發(fā)方式。 圖 41 TMS320LF2407 系統(tǒng)硬件組成 如圖 42 所示為 PWM 波形發(fā)生器 的 硬件結(jié)構(gòu)框 圖 。 （ 1）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)算速度快 ， 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。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 PWM波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì) 19 圖 42 PWM波形發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)框圖 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。 （ 2）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 TMS320LF2407 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。 圖 42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 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 5段驅(qū)動(dòng)器 2 SN74LS07 四位 LED 位驅(qū)動(dòng)器 74LS06 DSP 微控制器 TMS320LF2407 PGE 獨(dú)立式四鍵功能鍵盤 電源（自帶復(fù)位功能） Clock Circuit 緩沖及電平轉(zhuǎn)換電路 輸出 PWM 波 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 PWM波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì) 20 V精密穩(wěn)壓電源可選用 BURRBROWN 公司生產(chǎn)的 REF02 型精密穩(wěn)壓電源，以輸出標(biāo)準(zhǔn)的 5V 電壓。 系統(tǒng)中 減法電路的主要作用是把 010V直流脈動(dòng)信號(hào) 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)時(shí) 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取電阻以滿足要求，此外，為了使產(chǎn)生的正弦波信號(hào) 具有25mA 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 放大器，若外接一只增益電阻，即可得到 11000 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 15μ s，所以它非常適宜在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用。 （ 3）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 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。 （ 4）鍵盤設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選用四個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別接入 PF3PF6 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。 PWM 波形發(fā) 生器的 DSP 電路設(shè)計(jì) 基于 LF2407的采用通用定時(shí)器 GPT1產(chǎn)生 PWM波形的電路原理如圖 43所示。從圖 43 中可以看出，在 DSPLF2407 的 16 引腳（ T1PWM/T1CMP/IOPB4）輸出一個(gè)PWM 波，其載波由通用定時(shí)器的周期 寄存器 控制，其有效的 PWM脈寬由通用定時(shí)器的比較 寄存器 控制。 LF2407 的地 Vss(CPU 核的地 )和 Vsso(I/O 端口和緩沖器的地 )要正確接地，這是保證 DSP 正常工作的前提。 DSP 的時(shí)鐘由石英晶體提拱，一定要保證 DSP 時(shí)鐘的正確性，它是輸出 PWM 波的前提。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 PWM波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì) 21 圖 43 采用通用定時(shí)器 GPT1產(chǎn)生 PWM波形的電路 基于 LF2407 的采用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生 PWM 波形的電路如圖 44 所示。 圖 44 采用脈寬調(diào)制電 路產(chǎn)生 PWM波形的電路 從圖 44 中可以看出， DSP LF2407 的脈寬調(diào)制電路的輸出端（ PWM7— PWM12）一共產(chǎn)生了 3 組（ 6個(gè)） PWM 波，它是由通用定時(shí)器 GPT3 控制的，在每一對(duì) PWM波輸出中都可采用死區(qū)控制，并且其極性也是受控制的，在線調(diào)節(jié)十分方便。在DSP 的 CPU 和通用定時(shí)器初始化后，在沒(méi)有 CPU 管理的情況下， LF2407 的脈寬調(diào)制電路的輸出端