（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的正弦信号失真度测量研究.pdf

西华人学碳l 学位论文 【关键字】：d s p ，f f r ，d d s ，失真度 i l 西华大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho ft h em e a s u r ef o rt h e d i s t o r t i o no f s i n es i g n a lb a s e do nd s p ( a b s t r a c t ) m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c sa n dt e c h n o l o g y g r a d u a t e ：c u iy a n ，a d v i s o r ：y a n gy a n x i a n g i nt h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g , b o t hi no p e nc i r c u i ta n d i nc l o s e dc i r c u i t ，s i g n a li s c e r t a i n l ya f f e c t e db ye n v i r o n m e n t ，t h es t a t u so ft h e t r a n s p o r tn e t w o r ka n dt h ec h a n g eo fp a r a m e t e r so ft h ec o m p o n e n ta p p l i e d t h e nt h e c h a r a c t e r s o fu s e f u li n f o r m a t i o nw i l lb ec h a n g e dm o r eo rl e s sa n dt h ec h a n g ei s g e n e r a l l yc a l l e da sd i s t o r t i o n ，n a m e l ys o c a l l e ds i g n a ld i s t o r t i o n s i g n a ld i s t o r t i o n i n c l u d e st h r e ek i n d so fd i s t o r t i o n ：f r e q u e n c y ，p h a s ea n dw a v e f o r m t h ew a v e f o r m d i s t o r t i o ni sc a u s e db yt h en o n l i n e a r i t yo ft h ea m p l i f i e rc i r c u i t ，s oi ti so f t e nc a l l e da s n o n l i n e a r i t yd i s t o r t i o n t h en o n l i n e a r i t yd i s t o r t i o na l s oi n c l u d eh a r m o n i cd i s t o r t i o n a n di n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n w ec a nt e s tt h ec h a r a c t e ro ft h et r a n s p o r tn e t w o r kb yd e t e c t i n gt h en o n l i n e a r d i s t o r t i o na n dt h i si su s e f u lt oi m p r o v et h ec h a r a c t e ro ft h en e t w o r k i nt h eg e n e r a t i o n ， t r a n s p o r ta n dr e c e p t i o no fs i g n a l ，w em u s tc a r e f u l l ya n a l y z ea n dh a n d l ed i s t o r t i o n k i n d so fn o n l i n e a rd i s t o r t i o nm e t e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha s e l e c t r o n i c s ，e l e c t r i c i t ya n dc o m m u n i c a t i o n ，a n ds oo n t h ed i s t o r t i o nm e t e r su s e di n c o m m o ng e n e r a l l yb ed i v i d ei nt w ok i n d sa st h et h e o r yo ft e s t t h e ya r et h em e t h o d o fs u p p r e s s e df i r s t f r e q u e n c ya n dt h em e t h o do ff r e q u e n c yt a b l ea n a l y s i s m o s to f a n a l o gd i s t o r t i o nm e t e r sa p p l yt h em e t h o do fs u p p r e s s e df i r s tf r e q u e n c yb u tt h e i i l 堕兰查堂竺主兰望堡苎 d i s a d v a n t a g e sa r en e e dt os u p p l yt h ef i r s tf r e q u e n c ya n dt h el o w e rt e s tp r c g i s i o no f t h el o wf r e q u e n c y t h em e t h o do fa n a l y s i s 丘e q u e n c yt a b l ei s u s i n gt h em e t e ro f f e q u e n c yt a b l et ot e s ta l lk i n d so ff r e q u e n c ya n dt h e nc a l c u l a t et h ed i s t o r t i o no ft h e w a v e b u tt h em e t e ro fa n a l y s i sf r e q u e n c yt a b l ei sm o r e e x p e n s i v e a st h ed e v e l o p m e n to fm i c r o c o m p u t e ra n ds i n g l e c h i p ，e s p e c i a l l yt h ed s p c h i p t h ep a p e ra d v a n c eam e t h o do fm e a s u r et h ed i s t o r t i o no fs i n es i g n a l ，w h i c hi su s i n gt h ed s p c h i p t oc a r r yo u tt h ef f rt og e tt h em a g n i t u d eo fa l lk i n d so ff r e q u e n c yt h e nu s i n gt h ef o r m u l at o c a l c u l a t e t h ed i s t o r t i o n t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c et h em e a s u r em e t h o do fg e n e r a l l yd i s t o r t i o n m e t e ro fi n t e r n a la n do v e r s e a sa n dt h ea p p l i c a t i o no ft h em e t e ra n ds e c o n d l yc o m p a r es e v e r a l m e a s u r em e t h o d s ，t h e nc h o o s et h eb e s tm e t h o da n de x p o u n dh o wt o c a r r yo u tt h i sm e a s u r e m e t h o di nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e u s i n gm a t l a be m u l a t et h em e t h o da n ds h o wt h er e s u l t a tt h e l a s t 酉v et h ee r r o ra n a l y s i so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed u r i n gt h em e a s u r e m e n ta n dt h es u m m a r i z e 【k e y w o r d s 】：d s pf f td d sd i s t o r t i o n 西华大学碗 学位论文 第一章绪论 1 1 课题的意义和目的”1 叫 本课题属现代信号处理研究室自研项目。在电子工程的设计和应用中，信 号无论在开路传输或闭路传输过程中都受到环境，传输网络的工作状态和应用 元器件参数变化的影响使其或多或少的改变了原有信号的性质，这种变化就是 所谓的信号畸变现象，通常叫做失真。信号的失真分为三种：频率失真，相位 失真和波形失真。波形失真又称非线性失真，它是由放大电路的非线性引起的， 非线性失真又包括谐波失真和互调失真。本课题中所研究的失真均为谐波失真。 失真度是无线电信号的一个重要参数。在无线电计量测试中，许多参数的 准确测量都涉及失真度测量问题。例如：在检定电压表、功率表和交流数字式 电压表时，为了减小不同检波式仪表的波形误差、提高检定的准确度，就必须 减小信号源的失真。其次通过非线性失真测试还可以考察传输网络的失真性质， 有利于改进传输网络的性质。因此在信息产生，传递，接受过程中，必须认真 分析处理好失真问题，并且在低频和超低频的标准波形的测试和计量中，在电 力系统中以及其他要求检测信号波形纯正性时，如振动信号、电力系统信号和 工业控制中的激励信号和输出信号的波形纯正性的检测中，均需要检测波形的 失真度。因此认真分析并处理好失真度问题是非常重要的。 1 2 失真度测量仪的发展状况晗1 3 “1 在上世纪5 0 年代以前，由于受技术条件的限制对非线性失真的分析方法采 用典型的单信号输入法。通过被测网络逐一的输入一个不同频率的相对纯正的 正弦信号，在其输出端监测其产生的谐波信号的大小，决定信号的非线性失真 程度。由于当时不可能有优良的选频电压表去监测被测网络的各次谐波成分， 而是采用基波抑制法直接测量总谐波的有效值，通过技术处理读取被测网络的 失真度值。 上个世纪5 0 年代处于电子管的发展时期，在国际上设计有各种电子管程式 的谐波失真度测量仪。我国直到上个世纪5 0 年代末才开始试制电子管程式的失 真度测试仪，并在国内相继推出s z1 型、s z 一2 型、s z1 a 型失真度测试仪。这 些仪器的频率范围为2 0 h z 一2 0 k h z ，失真度可测量程为1 1 0 0 。 西华九学硕士学位论文 上个世纪6 0 年代末期，国际上已经普遍的应用晶体管程式的失真度测试仪。 我国在上个世纪7 0 年代国内市场上相继出现了b s l 型、b s 2 型、b s l a 型等晶 体管失真度测试仪其频率范围按照我国技术和发展要求，扩展为2 h z 匕0 0 k h z ， 失真度可测量程为o 1 。1 0 0 。在此期间，为配合收音机、录音机生产流水线的 快速测量非线性失真特性指标，设计出b s 4 型、b s 5 型等自动点频失真仪。 上个世纪8 0 年代随着我国集成电路设计规模的扩大，立体声广播对传媒设 备性能要求的提高，我国开始利用集成电路技术设计低失真度测试仪和全自动 失真度测试仪，初步满足了国内市场的需求。 早期的失真度测量仪均采用单组基波抑制网络，其基波抑制点处的平衡状 态受实际元件参数随温度、湿度的变化影响很大，稳定性差。后期设计的全自 动失真度测量仪、低失真度测量仪、低频分析仪等均采用三组以上的基波抑制 网络，构成一个基波抑制阻带，保证了测试性能的稳定。 自上个世纪3 0 年代后出现失真度测量以后，其基本原理均采用基波抑制法， 应用电路以采用文式电路、双t 网络最为普遍。上个世纪5 0 年代曾出现波形分 析仪可以按照失真度理论定义撄9 量非线性谐波失真，如：英国的t f 4 5 5 e 、t f 2 3 3 0 等仪器。由于技术难度较高，操作不便，计算复杂而不易推广。因此到目前为 止，广泛使用的仍然是基波抑制法的谐波失真度测试仪。 随着微处理器的发展，特别是上个世纪9 0 年代后，谐波分析法重新返回了 失真度测量分析的舞台。这种仪器通过以微处理器为核心的软硬件结合，它能 快速的测定被测信号中的基波和谐波的频率、幅度、相位，并能快速的计算谐 波失真度，不仅可以进行通常的谐波失真测量，为了提高仪表的性价比，系统 往往设计成多功能。这种仪器对音频传输设备的性能分析非常方便，是失真度 测量设备的最新发展技术。 1 3 数字化失真度测试仪 目前测量失真度的仪器根据测量原理大致可分为二大类：基波剔除法和频 谱分析法。一般模拟式的失真度测量仪都采用基波剔除法，此类失真度仪所能 测的最低频率为2 h z 。但此类失真度测量仪一般需要提供基波信号或未失真的 信号，而且误差较大，尤其对低失真度的测量精度很低。第二类频谱分析法。 这类方法用频率分析仪测量各次谐波的方法计算出波形失真度，它可以测量出 西华大学硕士学位论文 被测信号中的1 l o 次谐波分量，采用该方法较好的解决了超低频率的测量问 题，但是采用此方法的仪器一般结构复杂，价格较贵，操作繁琐。 与上述方法不同，数字化测量方法是指首先通过数据采集将被测信号量化， 再对测量数据处理计算出失真度的测量方法。根据失真度计算方法不同又分为： f f r 法和曲线拟合法。曲线拟合法测量失真度的准确性主要取决于拟合程度的 好坏和拟合参量的误差。它一般用于失真度较小的场合。因此本课题采用f f t 法测量失真度。测量时首先通过模数变换电路，将被测信号数字化，然后通过 f f t 变换程序完成信号的快速傅立叶变换，计算出被测信号中各频率成分的电 压有效值，进而计算出相对准确的失真度。 1 4 论文的工作内容 本论文主要内容是绪论部分、测量方法的选择、硬件芯片及实现方法的设 计和软件流程图的编写以及算法的仿真实现。其具体内容如下： ( 1 ) 测量方案的选定：对失真度测量方法进行比较并选择。 ( 2 ) 测量方案的硬件实现：信号峰值测量及调幅、d s p 芯片的选择、片外 存储器的扩展、c p l d 芯片的选择与应用、连续变化采样信号的硬件实 现、l e d 显示。 ( 3 ) 测量方案的软件实现：软件实现被测信号的基频测量、f f t 算法的实 现、c p l d 对电路模块的控制编程、m a t l a b 对失真度算法的仿真实现。 ( 4 ) 测量误差的分析。 ( 5 ) 对失真度测量仪技术发展趋势的展望和总结。 1 5 论文的结构组织 本论文共分五个章节来叙述。 第一章为绪论。用来说明课题来源、研究目的、失真度分析的目的和意义、 国内外失真度分析仪的发展和现状、论文的主要工作内容及章节组织。 第二章为方案比较选择。较系统的论述各种方案的优劣，从而选择最优方 案实现失真度的测量。 第三章为方案的硬件实现。系统全面的介绍各种测量模块的组成、芯片的 功能、具体电路的实现。 第四章为软件实现方法。给出设计整体流程图和各功能模块软件实现方案， 西华大学硕上学位论文 给出用m a t a b 仿真失真度算法的仿真结果以及c p l d 控制功能的软件仿真时序 图。 第五章为测量系统的误差分析。 第六章结论与展望。对本论文作了全面的总结，提出了本次设计方案的创 新点及待改进的地方，并展望了失真度测量技术的发展趋势。 4 西华大学硕士学位论文 第二章测量方案比较与选择 2 1 测量方案的比较 本次课题设计要求为测量l “1 5 0 k h z 的正弦信号失真度。根据目前技术的发 展，对非线性失真分析仪的测量原理大致分为两类：( 1 ) 通过频谱分析仪方法 直接测出被测信息中的基波分量及各次谐波分量，然后根据失真度计算公式直 接计算出失真度值。它可以测量出被测信号中的1 1 0 次谐波分量，采用该方法 较好的解决了超低频率的测量问题，但是采用此方法的仪器一般结构复杂，价 格较责，操作繁琐。( 2 ) 通过基波抑制法将被测信号中的基波分量全部滤除而 选通全部谐波分量，然后通过技术处理公式计算失真度值。此类失真度测量方 法所能测的最低频率为2 h z ，但此类失真度测量方法一般需要提供基波信号或 未失真的信号，而且误差较大，尤其对低失真度的测量精度很低。以上两种均 属于模拟法测量失真度。 随着信号处理技术的高速发展以及数字处理芯片的普及与应用，使得数字 化测量法中的f f t 算法的实现快速而简洁，因此采用i ) s p 芯片实现f f t 算法， 将时域信息转换成频域信息对于失真度测量来说是非常简单快速的方法。数字 电路相对于模拟电路有着不可比拟的优势，同时现代化仪器仪表也在向数字化 的方向转变。在失真度测量中，数字测量方法已经成为当前失真度测量的首选 方法。随着微处理器的发展和数字采样速度的提高，使得失真度数字测量方法 的精度和频率范围远远超过模拟测量方法。上述比较的失真度测量方法中，数 字方法比模拟法有着诸多优势，且易于实现。此方法的重点在于对信号的数字 化采样和快速傅立叶变换( f f t ) 。 鉴于以上对失真度测量仪优缺点的分析，本课题从提高测量精度、减小仪 器结构复杂度、节约成本的角度出发来研究和设计正弦信号失真度的测量。通 过以上比较，本设计选用了第二种方法，即基于d s p 芯片采用快速傅立叶变换 ( f f t ) 的频谱分析法来实现正弦信号的失真度测量。 d s p 芯片是近年来迅速发展并被广泛采用的一种具有特殊功能的微处理 器，尤其运用在数字信号处理方面更体现其强大的优越性，正是由于此种芯片 在数字信处理方面的优越性，才使得对信号失真度的测量能在其基础上提升一 西华大学硕士学位论文 个高度，因此本设计提出了采用d s p 芯片对被测信号进行f f t 运算从而进行谱 分析来计算失真度。其原理是通过傅立叶变换，求出信号的基波和各次谐波的 电压有效值。谐波电压的总有效值与基波电压的有效值的比值及未信号的失真 度( 谐波失真度) 。这种方法的优点在于实现电路和算法都比较简单，且测量 精度较高。 本课题采用快速傅立叶算法，首先将待测信号进行峰值测量、幅度调节并 整形成方波，测出基波频率，然后根据基波信号的频率，采用d d s 芯片( 直接 数字频率合成) 产生6 4 倍的倍频信号作为采样信号对待测信号进行每周期6 4 点采样，再将采样数值送入d s p 芯片进行f f t ，将f f t 结果代入失真度计算公式 算出失真度，结果送l e d 显示。具体方案第三章详解。 2 2f f t 算法简介及其谱分析的应用 2 2 1 谱分析 对非线性失真的测量，比较准确的方法是频谱分析法。这种方法是基于非 正弦的周期信号可以分解为直流、基波和各次谐波的原理来进行测量的。采用 频谱分析法的失真度测试仪大都用频谱分析仪测量各次谐波的方法计算出波形 失真度，其优点是准确度高，缺点是所使用的仪器复杂。根据数字信号处理理 论，离散傅立叶变换( d f t ) 算法实质上对频率具有选择性，有相当于频谱仪的 功能。随着数字处理芯片( d s p ) 和数字信号处理技术的发展，我们可以用d s p 进 行信号的频谱分析。 时序连续信号x q ) 首先通过低通滤波器进行限带处理，然后a d 变换得到 了数字信号x ( n ) 。利用d f t 处理信号z ( n ) ，就实现了时域连续信号的频谱分析， 其基本步骤如图2 1 所示： x o ) 一l p fl - _ 一a dl _ _ 芝_ 一d f fl ，z ) ii l 一 t h ep i c t u r e2 - 1t h es k e t c hm a po ft h ef r e q u e n c ya n a l y s eo ft h es e r i a t es i g n a l 图2 - 1 连续信号频谱分析的示意图 现实世界中的声音、图像等各种信号大都为模拟信号，要用计算机对这些 信号进行数字信号处理，这些信号必须通过采样、量化、编码变成有限长的数 字信号序列。离散傅立叶变换的本质是建立以时间为自变量的“信号”与以频 西华大学硕士学位论文 率为自变量的“频谱函数”之间的变换关系，换言之，离散傅立叶变换定义了 时域与频域之间的一种变换。由于d f t 的运算量非常大，而快速傅立叶变换作 为其快速算法得到广泛应用。 2 2 2 傅立叶变换”1 任何稳定的时域周期信号可以采用无限项谐波信号之和来表示，傅立叶变 换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，f t ) 是时域到频域互相转化的工具。傅立叶变换的实 质是把，( f ) 这个波形分解成许多不同频率的正弦波的迭加和。因此，我们就可 以把对原函数f ( o 的研究转化为对其权系数，即其傅立叶变换的研究。从傅立 叶变换中可以看出，这些标准基是由正弦波及其高次谐波组成的，因此它在频 域内是局部化的。 作为经典的信号分析方法f o u r i e r 变换具有正交、完备等许多优点，而且 有像f f t 这样的快速算法，因此，在许多领域得到广泛应用。但在运用f f t 时， 必须满足以下条件： ( 1 ) 满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上； ( 2 ) 被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。 因此，当采样频率或信号不能满足上列条件时，利用f f t 分析会产生“旁 瓣”和“频谱泄漏”现象，给分析带来误差。 2 2 3 基二的按频率抽取f f t 简介” d f t 及其快速算法f f t 直接用来分析信号的频谱、计算滤波器的频率响应、 实现信号通过线性系统的卷积运算等等，适合用于计算机进行数学运算，成为 分析信号和系统的有力工具，在数字通信、语音处理、图像处理、谱估计、雷 达、医学、地震等多个领域得到广泛应用。 f f t 算法的关键问题之一是蝶形运算，另一个是将信号数值序列不断地分解 成两组，最终归结为每两个数据的蝶形运算，并将信号值变换处理。对于基二 算法一般n 为2 的m 次方，即n = ? ”。频率抽取法将输入序列不是按偶数、 奇数，而是按前、后对半分开，这样可将n 点d f t 写成前、后两部分： x = x ( n ) 0 s ，ls 0 5 n x 2 = x ( n + 譬) o s 月s 0 5 西华大学硕士学位论文 凼此： 琊) 2 磊x - ( 一) 孵 苎 苎一。 2 荟2 水) w 7 + 薹硝n ) p 现在对频率序列抽取，把它分成偶部和奇部，偶数是令t = 2 ，奇数时令 k = 2 l + 1 ，这里f ；0 , 1 ，05 n 。利用 矿：的对称性、周期性、可约性得到： 苎一l 猁) = 薹晰n ) 形； ) 。形尹】 等一- 2 荟k t o ) + x ：( ，1 ) 】w ； n - - - t 猁+ 1 ) = 薹啪) 形；o ) 囔麟】群 等一- 2 磊k ，o ) 一x z 形；缈： 频率序列 z ( 甜) 是时间序列 x 。o ) + x 2 0 ) 的i n 点d f t ，频率系列 x ( 2 f + 1 ) 是时间序列 【石。o ) 一x ：印) 】 矿：) 的要点d f t 。这样，又将点化成了 点的计算，通过两次加( 减) 法和一次乘法，从原来序列获得两个字序列。所 以，频率柚取的蝶形运笪早： n ( h ) = x 1 ( n ) + x 2 ( ，1 ) 0 sns0 5 n b ( h ) = i x 。( n ) 一x ：0 ) 】i 矿：os nso 5 与时间抽取法的迭代过程类似，由于n = 2 m ，n 2 仍然是个偶数，因此可 以将n 2 点d f t 的输出再分解为前后两部分。这样就进一步将n 2 点d f t 分解 为两个n 4 点的d f t 了。这两个n 4 点d f t 的输入是将n 2 点d f t 的输出上、 下对半分开后通过蝶形运算而形成的。 西华大学硕士学位论文 这样一个n = 2 m 点d f t 通过m 次分解后，最后总是剩下全部是2 点的d f t 了， 2 点d f t 实际上只有加、减运算，然而为了比较也为了统一运算的结构，仍然用 一个系数为：的蝶形运算来表示。 2 3 失真度测量公式 用快速傅立叶变换求得的失真度是指正弦波的谐波失真度。该失真度可以被 定义为被测信号中各次谐波的总有效值电压与被测信号中基波的有效值电压的 比值。设失真度为k ，v 1 为基波电压有效值，v ：、屿v 为谐波电压有效值。 失真度的公式可写成： 厂j ；_ i k ，；型! i ! 竖：笠。1 0 0 ( 1 ) v l 一个周期信号可以展开成傅立叶级数。设周期信号为( t ) 。其傅立叶展开式为： ，( ，) = 了m o + a 。s i n 。r o o t + 日o n ) ( 2 ) ( 2 ) 式中，妻为正弦波中的直流分量， 为第n 次谐波的振幅，n 为谐波次 数，为基波的角频率，为第n 次谐波相对于基波的初相角。正弦波的振幅 和有效值的关系是： k = 砉( 3 ) v z 将( 3 ) 式代入( 1 ) 式有： k ，：i i ：互a 2 ：2 二：歪a s ：2 ：二二! 歪a ：2 圳。， 垒 2 由( 4 ) 式可知，只要将信号通过傅立叶变换，求得傅立叶系数后就可以求得信 号的失真度。 通常用于计算机处理的傅立叶变换方法是快速傅立叶变换( f f t ) 。快速傅立 叶变换( f 阿) 比直接傅立叶变换( d f t ) 在计算量上要小很多。如果设，计算 西华大学硕士学位论文 的采样序列点数为n 。d f t 的复数乘法次数是2 次，f f t 的复数乘法次数是 r 兰l o g ，次。由此可以看出，在n 值越大时f f t 比d f t 越快。本设计使用的是 2 。 f 盯的反序输入顺序输出按频率抽取的f f t 算法。 本章小结 本章首先介绍了正弦信号失真度测量的三种方法，然后进行比较，最终选 择了数字测量方法，即利用数字处理芯片对被测信号进行f f t 运算，从而得到 基波和各次谐波的有效值，然后将其带入失真度计算公式求出失真度值。再次， 介绍了傅立叶变换及其快速算法f f t 。最后介绍了失真度测量原理及失真度计算 公式。 西华大学硕士学位论文 第三章失真度测量系统的硬件方案 根据设计要求，本设计采用了以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片作为处理器，以c p l d 作为控制器的基本结构。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片主要处理输入输出数据、被测信 号各种参数测量、f f t 运算、被测信号失真度测量。c p l d 芯片完成地址译码和 各种控制信号的产生等。图3 一l 为系统框图。 t h ep i c t u r e3 。1t h em a po fs y s t e m 图3 - 1 系统框图 本设计除了t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片最小系统电路和c p l d 电路外，还包括采 样信号产生电路、幅度调节电路、a d 采样电路、l c d 显示电路和外扩存储器电 路。总设计框图如图3 一l 所示。在对输入正弦信号采样前，先由模拟电路完成 峰值电压的测量和幅度调节。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片先对峰值进行分析，依据信 号的峰值电压，控制幅度调节电路，对信号的幅值进行调整，使信号的峰峰值 不超出a d 的测量范围。接着，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片对信号的频率进行测量分 西华大学硕士学位论文 析，根据信号的频率，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片通过c p l d 译码给出d d s 芯片控制 信号，使其产生6 4 倍的倍频信号送给a d ：卷片作为采样信号对被测信号进行一 周期6 4 点的采样。在采样过程中采样数据，将被存放在片外存储器r a m 内。在 采样结束后，c p l d 通过中断信号通知d s p 芯片。d s p 芯片读取存储在r a m 中的 采样数据，对其进行f f t 和失真度运算，计算结果和d s p 芯片在采样前测量的 被测信号参数，将全部显示在显示器上。 3 1 信号处理电路 信号处理电路部分主要对被测信号进行处理，产生用于对被测信号幅度调 节和采样的参数信号，同时也用于对被测信号进行整形，整形为方波信号进行 频率测量。设计框图如图3 2 。 川 。i h ep i c t u r e3 2t h ed e s i g nm a p 图3 - 2 设计框图 输入的正弦信号首先经滤波器滤去信号的直流部分，再输入电压跟随电路， 电压跟随器可以使测量电路输入阻抗大大提高，同时也保证信号在后续的处理 过程中不失真。电压跟随器输出分成两路，一路到信号峰值测量电路，一路到 信号幅度调节电路。峰值测量电路通过整流和电容充电电路产生一个接近信号 峰值的电压的直流电压信号，输出到测量选择电路。幅度调节电路，通过电阻 西华大学硕士学位论文 网络和继电器组来调节被测信号的峰峰值。为使信号在采样前尽量不失真，在 幅度调节电路中没有使用放大电路，只使用了线性的分压电路调节幅度。因此 输入的被测信号峰峰值需要大于等于2 v 。幅度调节电路也输出到测量选择电 路。选择电路由d s p 芯片通过c p l d 进行控制，选择使用d 测量峰值电压信 号或对被测信号进行采样。整个模拟部分电路由运算放大器、电阻电容元件、 继电器和继电器驱动电路组成。同时，还包括将正弦信号整形成方波信号送入 d s p ，由d s p 的定时器计数器完成对频率的测量。具体实现电路如图3 3 。 d 8 继电器控制 。月坐辨 m m 。n 。 广 堂 气型 叫卜叫卜叫卜 脚毋一。毋一 西华大学硕= 匕学位论义 信号整形 t h ep i c t u r e3 - 3t h ec i r c u i to fs i g n a lp i o c g s s 图3 - 3 信号处理整形电路 电路中，运算放大器n e 5 5 3 2 的第一个运算放大器用作输入信号的电压跟随 器，以提高电路输入阻抗，此跟随器输出到继电器k 7 。d s p 可以控制k 7 选择将 输入幅度调节电路还是峰值测量电路。峰值测量电路，就是将正弦信号用d 3 l 整流后对电容充电，电容两端电压会因为充电后，不能迅速放电，两端电压很 快就接近信号的峰值电压减去二极管的两端电压的值。d s p 可以控制a d 对其采 样和计算后得到被测信号峰值电压的近似值。电阻r 4 1 和r 4 2 是用于分压，使 输出给a d 的电压值不超出a d 的测量范围。幅度调节电路由电阻分压网络和 继电器组构成。由r 4 4 、r 4 5 、r 4 6 、r 3 2 、r 3 3 构成的分压网络。有四种分压值， 分别为1 1 、1 2 、1 4 、1 8 ，选择哪一组分压值，由d s p 控制继电器组来决定。 每个继电器输出接在一起。同样d s p 可以控制a d 对分压后的被测信号进行采 样。继电器k 3 、k 4 、k 5 、k 6 为幅度调节继电器。k 2 为a d 采样选择继电器。在 整个电路中供使用了6 个继电器，所有继电器由u l q 2 8 2 3 a 驱动。u l q 2 8 0 3 a 中有 8 组由达林顿管组成的驱动电路，同时每只达林顿管有一只保护二极管，对继电 器中的线圈放电，保护达林顿管和线圈。在信号整形电路中，用比较器l m 3 1 9 对被测正弦信号整形，整形成方波信号，再由d 触发器实现脉冲频率到周期的 转换，其输出端送到c p l d 的c b i o 口，经c p l d 对其进行电平转换与反相后再送 西华大学硕士学位论文 到b i o 口，此时执行频率测量程序。 3 2d s p 概述及其最小系统。5 “1 3 2 1d s p 概述 d s p 包括数字信号处理技术( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 和数字信号处理 器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。本文中涉及的d s p 均表示d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ，是数字信号处理技术实现的载体，正是这一处理器使实时处理变成 了现实。 将计算机中央处理器c p u 采用大规模集成电路技术集成到一块芯片上就得 到微处理器，它标志第四代计算机一微型计算机的诞生，对计算机的普及起了 决定性作用。随着集成技术的进一步提高，出现了微处理器、一定容量的存储 器和一部分接口电路等计算机的基本部件集成在一块芯片上的单片微型计算 机，即单片机。在微处理器由低档向高档发展的同时，单片机也在不断发展， 各种高性能的专用单片机逐步出现。d s p 就是在这时候出现的很具典型性的专用 单片机，但由于它的专用性能独特性，现在已经很少称之为单片机了。d s p 在组 成上虽也包括一般计算机的基本组成部分，但它很明显的特征就是它采用了不 同于一般计算机的总线结构哈佛结构，这种结构使得计算速度大幅提高， 加之它的指令系统里有着专门用于信号处理的单周期指令和硬件乘法器，更进 一步提高了它的运算速度。因此在数字信号处理领域得到了广泛的应用，日益 扩大的应用反过来促进了d s p 的迅速发展。同时，d s p 中的哈佛结构己扩展到了 通用计算机中。概括起来d s p 具有如下一些特点： l 、在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 2 、程序和数据空间分开，可以同时访问数据和指令； 3 、片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问： 4 、具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持： 5 、快速的中断处理和硬件i o 支持； 6 、具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 7 、可以并行执行多个操作； 8 、支持流水线操作，使取址、泽码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 的其他通用功能较弱一点。 西华大学硕士学位论文 3 2 2t m s 3 2 0 c 5 4 x 简介 t m s 3 2 0 c 5 4 x 是1 6 位定点d s p ，采用改进的哈佛结构。c 5 4 有一组程序总线和 三组数据总线，高速并行性的算术逻辑单元a l u 、专用硬件逻辑片内存储器、片 内外设和高度专业化的指令集，使该芯片速度更高，操作更灵活。程序和数据 空间分开允许同时对程序指令和数据进行访问，提供了很高的并行度。可以在 一个周期内完成两个读和一个写操作。因此并行存储指令和专用指令可以在这 种结构里得到充分利用。另外数据可以在程序空问和数据空问传送，并行性支 持一系列算术，逻辑和位处理运算，它们都能在一个机器周期里完成。另外， c 5 4 具有管理中断，循环运算。 ( 1 )总线结构：c 5 4 的结构是围绕八组主要的1 6 位总线建立的，它包括 程序总线( 1 a b ) 用于传送从程序存储器来的指令代码 和立即数。 三组数据总线( c b ，d b 和e b ) 用于连接各种器件，如 c p u ，数据地址产生逻辑，片内外设和数据存储器。c b 和d b 总线传送从数据存储器读出的操作数。e b 总线 传送写入到存储器中的数据。 四组地址总线( p a b ，c a b ，d a b 和e a b ) 传送执行指令所 需的地址。 ( 2 ) 中央处理单元 c 5 4 芯片的c p u 包括： 一个4 0 位的算术逻辑单元( a l u ) 两个4 0 位的累加器( a c c a 和a c c b ) 一个桶形移位器 1 7 1 7 位乘法器 4 0 位加法器 比较，选择和存储单元( c s s u ) 指数编码器 各种c p u 寄存器、 ( 3 ) 中央存储器组织 西牛大学顶士学位沦文 c 5 4 存储器由三个独立的空间组成：程序、数据和i o 空间。所有的 c 5 4 ：占片都包括随机访问存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 。r a m 又分为 两种：双访问r a m ( d r a m ) 和单访问r a m ( s a r a m ) 。还有映射到数据存储空间 的2 6 个c p u 寄存器和外设寄存器。 ( 4 ) 存储器映射寄存器 数据存储空间包含了c p u 和片内外设的存储器映射寄存器。这些寄存 器位于数据空间的0 页，以简化对他们的访问。存储器映射访问为保存和 恢复用于内容切换的寄存器，以及在累加器和其他寄存器之问传递信息提 供方便。存储器映射寄存器包括：八个1 6 位的辅助寄存器、暂存器( t r e g ) 、 过渡寄存器( t r n ) 、堆栈指针寄存器( s p ) 、循环缓冲大小寄存器( b k ) 、 块循环寄存器( b r c ，r s a ，r e a ) 、中断寄存器( i m r ，i f r ) ( 5 ) 片内外设 所有的c 5 4 芯片都有相同的c p u ，但它们的c p u 对应了不同的片内设。 c 5 4 芯片的片内外设：通用i o 引脚，b i o 和x f 、软件可编程等待状态发生 器、可变成的快切换逻辑、主机接口、硬件定时器、时钟发生器和串口。 3 2 3i e e e l l 4 9 1 标准扫描逻辑 i e e e l l 4 9 1 标准逻辑电路用于仿真和测试，它提供对所连设备的边界扫描。 同时，它也能用来测试引脚和引脚的连续性，以及完成c 5 4 芯片的外围器件的 操作测试。i e e e l l 4 9 1 标准扫描逻辑与能访问片内所有资源的内部扫描逻辑电 路连接。因而，c 5 4 能使用i e e e l1 4 9 1 标准串行扫描引脚和专用仿真引脚来完 成在线仿真。 3 2 4t m s 3 0 2 v c 5 4 0 2 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 属于c 5 4 x ，即属于c 5 0 0 0 系列，当然具有c 5 4 x 的一般性， 但更重要的是它具有的独特性。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是c 5 4 x 增强了片内外设的改进型 芯片不同于其它芯片的特点如下： 4 k * 1 6 - b i t 的片内r o m 。 1 6 k * 1 6 一b it 双访问r a m 。 1 0 n s 的单周期定点指令。 六通道的d m a 控制器。 西华大学硕j 二学位论文 两个1 6 一b i t 的定时器。 改进的8 位h p i 口。 两个多通道缓冲串口。 c 5 4 0 2 的存储器空间可以分为三个单独选择的空间，即程序空间、数据空间 和i o 空间。其中程序空间有1 m 1 6 b i t 的容量，其他空间只有6 4 k x1 6 b i t 的 容量。在任何一个存储器空间内，r a m 、r o m 、e e p r o m 或存储器映射外设都可以 驻留在片内或者片外。 c 5 4 0 2 片内有4 k 1 6 b i t 的r o m ，1 6 k 1 6 b i t 的d r a m 。其中片内高2 k 字r o m 中的内容是由t i 公司定义的，包括：b o o t l o a d e r 、2 5 6 字“律扩展表、2 5 6 字a 律扩展表、2 5 6 字正弦函数值查找表、中断向量表。v c 5 4 0 2 有三个c p u 状态寄 存器位( m p m c # 、o v l y 、d r o m ) 影响存储器的配置，如下所示： ( 1 ) 如果m p m c # = o ，则片内的r o m 映射到程序存储器空间； 如果m p m c # = i ，则片内的r o m 不映射到程序存储器空间。 ( 2 ) 如果o v l y = o ，则片内的r a m 映射到程序和数据存储器空间： 如果o v l y = i ，则片内的r a m 只映射到数据存储器空间。 ( 3 ) 如果d r o m = o ，则部分片内的r o m 映射到数据存储器空间； 如果d r o m = i ，则片内的r o m 不映射到数据存储器空间。 图3 - 4 出v c 5 4 0 2 的存储器映射。 西华大学硕士学位论文 0 。0 0 l l ( 】( 吼 0 0 8 0 i i 3 f h ：l l 删i f 胁 凡：踟h 第。页秽薪睹器第叨帮骑存潞器数瞻剞老器 保留( o v l y = i ) 或 外部( o v l y = 0 ) 片内d a r a m ( o v l y = i ) 或 外啬i ；( o v l = y = 0 ) 外部 中断 ( 外部) 0 0 0 0 h 伽f 7 f 1 1 0 0 8 0 i 3 f 阡h 加0 0 h e 丽 h 】0 0 h h 珊 h 砌1 h m 删h 保留( o v l y = i ) 或 外部( o v l y = 0 ) 片内d a r a m ( o v i j y = 1 ) 或 ，f 都( 0 j y