应用DSP技术的正弦波发生器方案之硬件设计

伴随着DSP技术的不断发展，应用了这一技术的新型集成芯片被广泛的应用在数控、测绘以及消费电子领域，并获得了长远的发展。在今天和明天的文章中，我们将会为大家分享一种应用了DSP技术的正弦波发生器方案，希望通过今明两天的分享，为各位工程师的研发工作带来一定的帮助。在今天的方案分享中，我们先来看一下，这种应用了DSP技术的正弦波发生器是如何进行硬件设计的。

总体方案设计

在这一应用了DSP技术的正弦波发生器方案设计中，基于DSP技术的特点，本方案选择采用TMS320C54X系列的DSP作为正弦信号发生器的核心控制芯片。在信号实现方面，选择用泰勒级数展开法实现正弦波信号，设置波形时域观察窗口，得到其滤波前后波形变化图，同时设置频域观察窗口，以此来得到其滤波前后频谱变化图。

正弦波信号发生器

正弦波信号发生器已被广泛地应用于通信、仪器仪表和工业控制等领域的信号处理系统中。通常有两种方法可以产生正弦波，分别为查表法和泰勒级数展开法。就查表法而言，这种方法是通过查表的方式来实现正弦波，主要用于对精度要求不很高的场合。而泰勒级数展开法是根据泰勒展开式进行计算来实现正弦信号，它能精确地计算出一个角度的正弦和余弦值，且只需要较小的存储空间。

在对这两种方法进行综合取舍后，在本方案中，我们主要用泰勒级数展开法来实现正弦波信号。 产生正弦波的算法正弦函数和余弦函数可以展开成泰勒级数，其表达式为：

在得出上述表达式的基础上，我们选择取泰勒级数的前5项，得近似计算式，即：

在近似计算公式的基础上，我们就可以得出两个比较精准的递推公式，即：

sin（nx）= 2cos（x）sin[（n-1）x]-sin[（n-2）x]

cos（nx）= 2cos（x）sin[（n-1）x]-cos[（n-2）x]

由递推公式可以看出，在计算正弦和余弦值时,需要已知cos（x）、sin（n-1）x、sin（n-2）x和cos（n-2）x。

硬件设计

在本方案中，我们所设计的这种基于DSP技术的正弦波信号发生器的硬件结构图如下图所示，可以看到，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。

基于DSP的信号发生器系统框图

控制器部分

在这种基于DSP技术所设计的信号发生器研发过程中，我们所设计的这种正弦波发生器采用的是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转换精度高等特点。该种DSP芯片中的事件管理模块（EV）是一个非常重要的组成部分，在整个正弦波信号发生器的工作运行过程中，SPWM波形的产生和输出就是由这一部分完成的。在该芯片中，事件管理模块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）。

这里需要注意的一个问题是，由于我们所采用的DSP芯片TMS320LF2407拥有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，由于其器件本身有多达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。

微输出D/A通道部分

在这一基于DSP技术而设计的正弦波发生器系统中，其本身的输出通道部分主要负责实现波形的输出，此通道的入口为TMS320LF2407集成芯片的PWM8口，可输出SPWM等幅脉冲波形，出口为系统的输出端，这样，经过一系列的中间环节，便可将PWM脉冲波转化为交流正弦波形，从而实现正弦波的输出，其原理框图如下图所示。

正弦波信号发生器输出通道的原理结构

在上图所展示的正弦波信号发生器输出通道设计中，缓冲电路的作用是对PWM口输出的数字量进行缓冲，并将电压拉高到5V左右，以供后级模拟电路滤波使用。这一部分电路由两个芯片组成。一片用三态缓冲器，由于PWM口的输出为3.3V的TTL电平，这样，在设计时就应当选用输入具有5V的TTL输入、CMOS输出电平的转换芯片，另一片则可选用东芝公司出品的光电耦合器6N137。输出端连接的5V精密稳压电源可选用某公司生产的REF02型精密稳压电源，以输出标准的5V电压。

在这一基于DSP集成芯片所设计的正弦波信号发生器系统中，我们所设计的减法电路其主要作用是把0-10V直流脉动信号的转换成-5～+5V的正弦交流信号，并使其电压增益为1。设计使可利用差分式电路来实现其功能。为了进一步简化电路设计，我们可以选用较为常用的AD公司的AD524，并将AD524接成电压跟随器的形式，同时适当的选取电阻以满足要求，此外，为了使产生的正弦波信号具有2-5mA的驱动能力，可选用AD624来构成末级的信号放大电路。AD624是高精度低噪声仪用放大器，若外接一只增益电阻，即可得到1-1000之间的任意增益值，其误差小于1%。由于AD624的建立时间只有15μs，所以它非常适宜在高速数据采集系统中使用。

驱动器设计

在本方案中，我们所设计这一驱动器电路由两片集成电路组成，即由位驱动的CMOS芯片和将TTL电平转换成CMOS电平的电平转换芯片组成，电平转换芯片可以和输出通道的电平转换芯片共用一片74HCT244（本部分使用4路，输出通道使用3路），其主要作用是对DSP输出的3.3VTTL电平与5V CMOS电平进行匹配，从而带动具有CMOS电平的位驱动器，根据动态扫描显示的要求，位驱动器需要选用每路输出吸收电流都要大于200mA的芯片，因此，本设计选用了TI公司的74LS06来做LED的大电流驱动器件。

键盘设计

在键盘设计的过程中，为了能够更好的完成简化设计，在本方案中我们选择使用四个独立式按键，分别接入PF3-PF6口，并使用四个220Ω上拉电阻接VCC。所谓独立式，就是将每一个独立键按一对一地直接接到I/O输入线上，而在读键值时，直接读I/O口，每一个键的状态通过读入键值的一位（二进制位）来反应，这种方式的查键软件比较简单，但占用I/O线较多，一般在键的数量较少时采用，不过，由于我们所采用的DSP芯片有足够的I/O接口可供使用，因而可大大方便设计，设计时可以充分利用这一特点来连接硬件，至于按键的削抖动措施，则可在软件中完成。

以上就是今天的方案分享中，我们为大家所分享的基于DSP技术设计的正弦波发生器硬件设计，在明天的方案分享中，我们将会继续为大家分享这一方案的软件设计部分，欢迎各位工程师继续关注！