武汉科技大学_信号与系统习题精解 第12章.doc

第12章 数字信号处理的硬件实现1.1 学习要点了解常见ADC的分类，理解ADC量化噪声产生的原因以及量化噪声的特点。了解通用信号处理器的基本特点，重点掌握TMS320C6X系列DSP的特性，并能够与ADSP系列进行相关参数的比较。1.信号的量化技术将模拟量转换成数字量，简称为AD转换，完成这种转换的电路称为模数转换器(Analog to Digital Converter) ，简称ADC；或将数字量转换成模拟量，简称DA转换，完成这种转换的电路称为数模转换器(Digital to Analog Converter) ，简称DAC。 (1)ADC的分类ADC具有各种速率，使用不同的接口电路，并可提供不同的精确度。最常用的ADC类型包括闪速ADC、逐次逼近ADC和- ADC。闪速ADC特点：转换速率最快，转换位数较低（分辨率）。逐次逼近型（SAR）ADC特点：速度较高、功耗低,在低分辨率（ 12位）时价格很高。- 型ADC特点：转换速率较低，但具有较高的转换位数（分辨率）。(2)ADC的量化噪声定义：理想ADC的噪声由其固有的量化误差产生，也称为量化噪声。但实际使用的ADC是非理想器件，它的实际转换曲线与理想转换曲线之间存在偏差，所以表现为多种误差。信噪比公式：结论：A/D变换器的位数越多，信噪比就愈高，每增加一位，输出信噪比增加约6dB。增加A/D变换器的位数可以提高信噪比，但A/D变换器的成本也会随位数的增加而迅速增加。2.数字信号处理的硬件实现(1)通用数字信号处理器通用数字信号处理器，也称DSP芯片，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。其主要特点有：1) 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，可以同时访问指令和数据；3) 片内具有快速 RAM，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，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。（2）TI公司TMS320C系列基本特点为：1) 修正的哈佛结构；2) 广泛采用流水操作；3) 专用的硬件乘法器；4) 特殊的DSP指令；5) 指令周期短。（3）TMS320C6000系列DSP显著特点为：1) 体系结构采用VLIW，片内八个并行处理单元；2) 32位外部存储器接口；3) TMS320C6X的指令集可进行字节寻址，获得8位16位32位数据，可提高存储器的利用率；4) 具有灵活的锁相环路时钟产生器(1，2，4)，可以对50MHz输入时钟进行不同的倍频处理；5) C6X DSP采用流水线结构，使得指令高效执行，有利于编程、调试、电路的应用开发；6) l6位宿主机接口，可以配置为宿主DSP的加速器，兼容IEEE11491 JTAG。功耗低；7) C6X DSP 采用并行处理流水线的LOADSTORE结构，可以在一个时钟周期执行8条指令，同时系统结构为大量的并行处理服务。ADSP2106x系列同TMS320C6000系列的比较见表12-1。表12-1 ADSP2106x系列同TMS320C6000系列的比较型号最高浮点计算速度片内内存浮点精度最大数据吞吐率始型ADSP2106x120MFLOPS/40MHz4Mbit32/40250MByte/sTMS320C3x/4x150MFLOPS/75MHz1Mbit32/40N/A改进型ADSP2116x480MFLOPS/80MHz6Mbit32/40560MByte/sTMS320C67x1GFLOPS/167MHz1Mbit32N/A多片集成型ADSP1406x/1416x480MFLOPS/40MHz16Mbit32/40480MByte/sTMS320C8x600MFLOPS/50MHz50KB64480MByte/s1.2 精选例题例1 请问流水线为什么能减少指令平均执行时间吗？解：流水线的引入并非减少了单个指令的执行时间。通常情况下，由于流水线将程序的执行过程划分为不同的阶段，各个阶段完成本阶段任务通常是不相同的，流水线只能按照最长的阶段的时间作为流水节拍进行工作。但是，流水线的引入，带来的指令的并行执行，缩短了每条指令的平均执行时间。例2 为什么DSP普遍采用哈佛结构体系？解：传统的通用处理器采用统一的程序和数据空间、共享的程序和数据总线结构，即所谓的冯诺依曼结构。DSP普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构或者改进的哈佛结构，极大的提高了指令执行速度。片内的多套总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，许多DSP片内嵌有DMA控制器，配合片内多总线结构，使数据块传送速度大大提高。例3 什么是定点DSP芯片和浮点DSP芯片？各有什么优缺点解：定点DSP完成的是整数运算或小数运算，数值格式中不包含阶码。一般情况下，定点DSP芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。而浮点DSP芯片的优点是运算精度高，且C语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。例如TI的TMS320C2XX/C54X系列属于定点DSP芯片，低功耗和低成本是其主要的特点。而TMS320C3X/C4X/C67X属于浮点DSP芯片，运算精度高，用C语言编程方便，开发周期短，但同时其价格和功耗也相对较高。例4 计数式A/D转换器电路如例4图所示。图中运放作为比较器使用，当时比较器输出=1，反之，当时，=0。为转换控制信号。计数器为8位二进制加法计数器。已知时钟CP的频率f=100kHz。(1) 试问完成一次最长的A/D转换需要多少时间？ (2) 若已知8bitD/A转换器的最高输出电压为9.18V，当=5.410V时，电路的输出状态D=Q7Q6Q0是什么？完成这次转换所需的时间是多少？例4图 解：（1）根据计数式A/D转换器的工作原理，完成一次最长的A/D转换所需的时间为： 。本例题为8位D/A转换器，故n=8。CP的频率f=100kHz，故=10s。因此 （2）已知=9.18V，D/A转换器为8bit，因此8bit D/A转换器最低位为1时输出的值应为： 在=5.410V情况下，计数器应记的次数：故计数器中的状态Q7Q6Q0应为10010111。此状态就是转换结束后电路的输出状态。完成这次转换所需的时间: 1.3习题精解1.模-数转换器ADC常用的有双积分式和逐次逼近式，请扼要比较它们的优缺点。在微机控制系统的模拟输入通道中常常应用采样-保持电路，其主要原因是什么?解：逐次逼近式ADC采用的是二分搜索、反馈比较、逐次逼近的转换原理。其优点是转换速度快，转换精度高;缺点是输入模拟信号变化速度较快时，会产生较大的非线性误差。双积分ADC的优点一是不需要DAC，能以低成本实现高分辨率;二是双积分ADC的实质是电压一时间变换，所以转换精度高，抗干扰能力强。缺点是需要二次积分，转换速度慢。当输入模拟信号变化率比较大时，逐次逼近式ADC会产生相当大的非线性误差，为改善这种情况，可在ADC前面增加一级采样-保持电路。2权电阻网络8位D/ A转换器如题1图所示，设UREF10V，当R2K,RF1K时，求：（1）D / A转换器的最小可分辨电压等于多少？（2）当输入数码a7a6a5a4a011111111时，滿度输出电压Uom为多大？（3）当输入数码a7a6a0=10110111时，输出电压U0有多大？题1图图7.4例7.1电路图解：（1）因为最小可分辨电压是最低位数码a0=1，其他位数码都为0时所对应的输出电压U0，所以（2）当a7a6a5a4a011111111时（3）当a7a6a0=10110111时，输出电压U01831830.039V7.137（V）3设8位T型电阻网络DAC如题2图所示，已知10V，输入量数字D11010110，试求：(1) 3R时，输出模拟电压；(2) 2R时，输出模拟电压。题2图解：在电路中n8，D11010110图8.5例8.2电路图。（1）当3R时， 由可得：（2）当2R时，412位逐次比较A/D转换装置的系统时钟频率为20MHZ，输出代