【正文】 接數(shù)字合成 DDS－ Direct Digital Synthesizer 是近幾年發(fā)展起來的一種新的頻率／波形合成技術(shù)該技術(shù)具有頻率分辨率高轉(zhuǎn)換速度快信號純度高相位可控輸出信號無電流脈沖疊加輸出可平穩(wěn)過渡且相位保持連續(xù)變化等優(yōu)點近年來在通訊雷達 GSP 蜂窩基站圖像處理及 HDTV 等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 該技術(shù)是根據(jù)奈奎斯特取樣定理從連續(xù)信號的相位Φ出發(fā)對一個正弦信 號進行取樣量化編碼然后將形成的正弦函數(shù)表存入 ROM／ RAM 中合成時則通過改變相位累加器的頻率控制字來改變相位增量相位增量不同將導致一個周期內(nèi)取樣點數(shù)的不同因角頻率ω＝△φ 調(diào)試流程 35 167。 62 把 DSP 程序轉(zhuǎn)化成單片機程序 35 167。 52 單片機程序設(shè)計 27 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試及測試 29 167。 43 DDS 的特點 25 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 27 167。 41 DDS 算法簡介 24 167。 RS232 通信原理 21 167。 32 串口描述 19 167。 89C51 的主要性能高如下 16 167。 23 主機接口 13 第 3 章 音頻信號發(fā)生器的外設(shè) 16 167。 C54x 的引腳功能 8 167。 21 DSP 芯片 7 167。 DSK5402 開發(fā)板硬件結(jié)構(gòu) 4 167。 12 本系統(tǒng)的方案 3 167。基于 DSP 的音頻信號發(fā)生器的設(shè)計及實現(xiàn)畢業(yè)論文 基于 DSP 的音頻信號發(fā)生器的設(shè)計及實現(xiàn) 摘 要 本課題介紹了基于 DSP 芯片 TMS320C5402 實現(xiàn)正弦信號發(fā)生器的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法使用 TMS320C5402作為數(shù)據(jù)處理器 AT89C51作為控制器引導并控制DSP芯片采用直接數(shù)字合成 DDS技術(shù)在 DSP上建立一個信號發(fā)生器可產(chǎn)生指定頻率音頻范圍的正弦波方波等信號該信號發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波波形清晰穩(wěn)定性好調(diào)頻調(diào)幅功能均由軟件實現(xiàn)本設(shè)計主要實現(xiàn)正弦音頻信號發(fā) 生器該系統(tǒng)由DDS 模塊單片機控制模塊語音提示輸出運算放大模塊 DA 轉(zhuǎn)換模塊幅度控制模塊組成這里介紹一種采用 DSP 實現(xiàn)的正弦信號發(fā)生器其調(diào)幅調(diào)頻功能均由軟件實現(xiàn)而且有較好的可擴展性穩(wěn)定性與計算機接口方便 關(guān)鍵詞音頻信號發(fā)生器正弦波 DSP DDS AUDIO SIGNAL GENERATOR BASED ON TMS320C5402 DESIGN AND LMPLEMENTATION ABSTRACT This design uses TMS320C5402 of DSP chip as a data processor STC89C51 as a controller to guide and control the DSP chip use TMS320C5402 as a data processor STC89C51 as a controller to guide and control the DSP chip Synthesis of direct sequence DDS technology DSP a signal generator can generate the specified frequency audio range of the sine wave square wave signal Synthesis of direct sequence DDS technology DSP a signal generator can generate the specified frequency audio range of the sine wave square wave signal The design of the main sine wave audio signal generator the system by the DDS module microprocessor control module voice prompt the output operational amplifier module DA converter module rate control module Highspeed directsequence synthesis DDS technique DA and other technology can generate any frequency sinusoidal signal and a variety of analog and digital modulation signal Wide frequency range of the system step small magnitude and frequency with high accuracy KEY WORDS Signal generatorSine tonic train signal DSP DDS 目 錄 前 言 1 第 1 章 系統(tǒng)描述 3 167。 11 系統(tǒng)方案選擇 3 167。 方案系統(tǒng)框圖 3 167。 DSK5402 系統(tǒng)概述 6 第 2 章 音頻信號發(fā)生器的硬件描述 7 167。 DSP 芯片特點 7 167。 22 串行口 MCBSP 12 167。 31 89C51 芯片的描述 16 167。 89C51 的引腳及說明 17 167。 RS232 接口電路 19 167。 33 聲卡 21 第 4 章 音頻信號發(fā)生器設(shè)計的算法 24 167。 42 步長計算查表 25 167。 51 DSP 程序設(shè)計 27 167。 61 DSP 程序編寫 29 167。 63 程序調(diào)試 35 167。 系統(tǒng)的調(diào)試 37 結(jié) 論 39 參考文獻 40 致 謝 42 外文資料翻譯 43 前 言 隨著 21 世紀的到來人類跨入了信息網(wǎng)絡(luò)時代從計算機到移動電話從家用娛樂使用的 VCD HDTV多媒體電腦到軍用雷達醫(yī)用 CT儀器等設(shè)備無不由各種各樣的電子系統(tǒng)組成在這些電子系統(tǒng)中數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用比比皆是雖然不能說這個世界已經(jīng)是一個數(shù)字化的世界因為這個世界本身主要還是由模擬的信息組成的但毫無疑問數(shù)字信號處理 Digital Signal Processing DSP 技術(shù)的飛速發(fā)展極大地提高了人們對模擬世 界的把握能力可以毫不夸張地說數(shù)字信號處理技術(shù)是這個時代核心的技術(shù)之一 信號與信號處理是信息科學中近十幾年來發(fā)展最為迅速的學科之一信號是信息的載體所謂信息是指人類對外界事物的感知而信號處理是指將信號從一種形式變成另一種形式比如將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號等目前單片機系統(tǒng)以價格低廉開發(fā)環(huán)境完備開發(fā)工具齊全應(yīng)用資料眾多功能強大且程序易于移植等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用同時隨著信息化進程計算機科學與技術(shù)以及信號處理理論與方法的迅速發(fā)展需要的數(shù)據(jù)量越來越大對數(shù)據(jù)存儲也提出了更高要求 課題以易于集成功耗低體積 小重量輕可靠性高且易于程控使用相當靈活為基本指導思想用 DSP 實現(xiàn)的正弦信號發(fā)生器其調(diào)幅調(diào)頻功能均由軟件實現(xiàn)而且有較好的可擴展性穩(wěn)定性與計算機接口方便硬件設(shè)計這是一個以 TMS320C5402為核心 DSP系統(tǒng)發(fā)生波形時 DSP通過接口電路實現(xiàn)對波形參數(shù)的控制產(chǎn)生高精度的正弦波經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出圖 11 系統(tǒng)框圖 各模塊說明 1PC 為電腦是人機交互的載體 2RS232通用串口可以與 PC 機 DSP以及其它串行接口設(shè)備進行連接傳送數(shù)據(jù) 3 單片機 AT89C51 單元系統(tǒng)的主控制器控制其它模塊協(xié)調(diào) 4DSP 要處理來自 RS232 和發(fā)向 AIC23 發(fā)送的數(shù)據(jù)從而達到采集信息和傳送聲音信號的目的 5AIC23B是高性能立體聲音頻 Codec芯片內(nèi)置耳機輸出放大器內(nèi)部高度集成模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADCs 和數(shù)模轉(zhuǎn)換 ADCs 部件支持單通道 MIC 和雙通道 LINE IN 兩種輸入方式二選一且對輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)用于語音處理系統(tǒng)構(gòu)成簡單功能強大 DSK5402 開發(fā)板硬件結(jié)構(gòu) 開發(fā)板硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 12 所示 圖 12 開發(fā)板硬件結(jié)構(gòu) 開發(fā)板的硬件結(jié)構(gòu)本次只用到串口聲卡 51 單片機 DSP 芯片揚聲器 接口也 在用到串口耳機插孔 開發(fā)板的特點 1 采用 16 位定點 DSP TMS320VC5402100M 方便個人數(shù)字助理 語音處理 例如 VoIP 靜態(tài)圖象 例如指紋識別 網(wǎng)絡(luò)安全 DSP 語音處理教學 TMS320C5000 開發(fā)原型等 2 片上存儲器 DARAM16K 16 位 ROM4K 16 位 3 片上外設(shè) MCBPS 同步串口 2 通道 4 外擴 SRAM 基本配置 64K 16 位 外擴以太網(wǎng) 10M 接口兼容 NE2020 外擴微動按鍵 外擴 1 路 RS232 接口 提供上電復(fù)位手動復(fù)位系統(tǒng)可靠穩(wěn)定 標準的 JTAG 接口方便調(diào)試 DSK5402 系統(tǒng)概述 DSK5402 系統(tǒng)主要分為兩部分分別為 DSK5402 的硬件系統(tǒng)和相應(yīng)的測試軟件 在 DSK5402 的系統(tǒng)中主要集成了 DSPSRAMUART 以太網(wǎng)按鍵等這樣能夠使其應(yīng)用個人數(shù)字助理 語音處理 例如 VOIP 靜態(tài)圖象 例如指紋識別網(wǎng)絡(luò)安全 DSP 語音處理教學 TMS320C5000 開發(fā)原型等領(lǐng)域 相應(yīng)的測試軟件包括以下幾部分 DSP 對片外 SRAM 操作示例 DSP 對片內(nèi)外設(shè)定時器 0 操作示例 DSP 對片內(nèi)外設(shè) MCBSP 的操作示例 外部中斷擴展示例 LED 燈閃示例 TCPIP 協(xié)議棧示例 主要技術(shù)指標 主處理器 TMS320VC5402 主頻 100M DRAM 片內(nèi) 16K 16 位 0 等待 片外 64K 16 位 15ns ROM 片內(nèi) BOOT ROM4K 16 位 以太網(wǎng) 1 通道兼容 NE2020 最高傳輸速率 10M 擴展 McBSP 接口電平 33V 工作溫度 070℃ 音 頻信號發(fā)生器的硬件描述 DSP 芯片 在本次設(shè)計中主要用的硬件設(shè)備是 DSP芯片 DSP芯片普遍采用數(shù)據(jù)總線與程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進的哈佛結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)處理器的馮△ｔ故可在取樣頻率不變的情況下通過改變相位累加器頻率控制字的方法將這種變化的相位／幅值量化為數(shù)字信號然后通過 D／ A 變換和低通濾波即可得到相位變化的合成模擬信號頻率 圖 41 DDS 的基本原理框圖 圖 41是 DDS的基本原理框圖它主要由四部分組成第一部分為相位累加器用于決定輸出信號頻率的范圍和精度第二部分為正弦函數(shù)功能表波形存儲器用于存儲經(jīng)量化和離散后的正弦函數(shù)的幅值第三部分為 D／ A 轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生所需的模擬信號第四部分為低通濾波用來減少量化噪聲消除波形尖峰參考頻率源是一個高穩(wěn)定度的晶體振蕩器用以同步 DDS 中各部件的工作因此 DDS 輸出的合成信號的頻率穩(wěn)定度和晶體振蕩器是一樣的從原理上還可看出它是用高穩(wěn)定的固定時鐘頻率來對所要合成的信號進行相位取樣的單位時間內(nèi)取樣量越大則合成的頻率越低取樣量的大小由可程控的頻率設(shè)定數(shù)據(jù)決定 步長計算查表 DDS 技術(shù)的核心是波表即波形存儲器本系統(tǒng)所產(chǎn)生的所有波形都有自己的波表正弦波的波表 SinTab 方波的波 表 Square Tab 三角波的波表 Triangle Tab鋸齒波的波表 Tooth Tab在系統(tǒng)運行過程中只需到各自的波表中按照一定的步長查表即可得到相應(yīng)的頻率波形 在系統(tǒng)界面根據(jù)需要輸入相應(yīng)的頻率 F 由系統(tǒng)換算成相應(yīng)步長即頻率控制字 step 再根據(jù)步長查表具體的計算公式為 其中 L 為波表的長度 fs 為聲卡的采樣率 44100Hz 就是我們所說的 44KHz 而后系統(tǒng)根據(jù)步長查表得到一組離散幅度值再由聲卡的 DALPF 濾波最終得到所需要的信號 在整個系統(tǒng)編程中為了得到連續(xù)不斷的波形采用了雙緩沖的方法即聲卡采集數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū) 1 系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)進行處理輸出同時聲卡繼續(xù)采集數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū) 2代系統(tǒng)處理完緩沖區(qū) 1的數(shù)據(jù)后再處理緩沖區(qū) 2的數(shù)據(jù)這時緩沖區(qū) 1又可以存放聲卡采集的數(shù)據(jù)了整個過程就可以連續(xù)起來避免了數(shù)據(jù)的丟失 DDS 的特點 在相對帶寬頻率轉(zhuǎn)換時間高分辨力相位連續(xù)性正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能 1 能產(chǎn)生任意波形 2 分辨率高可以實現(xiàn) HzHz 甚至 Hz 的頻率步進量 3 頻率信號寬所產(chǎn)生的信號頻率最低可達 Hz可認為 DDS的最低合成頻率接近零頻輸出頻率 最高可達 100MHz 以上 4 輸出頻率轉(zhuǎn)換速度快與鎖相系統(tǒng)不同因 DDS 是一個開環(huán)系統(tǒng)當一個新的頻率數(shù)據(jù)送入時它就會迅速合成并輸出該頻率而且輸出的變化是一個平穩(wěn)的過程轉(zhuǎn)換時間可達 s 級甚至 ns 級 5 由于 DDS 中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路易于集成功耗低體積小重量輕