IQmath在基于PWM实现的D_A转换调试中的应用

1、第23卷第8期Vol . 23No . 8重庆工学院学报(自然科学Journal of Chongqing I nstitute of Technol ogy (Natural Science 2009年8月Aug . 20093收稿日期:2009-04-20基金项目:成都天和兴川电器有限公司项目.作者简介:李翰麟(1984 , 男, 四川成都市人, 硕士研究生, 主要从事焊接设备的研制与改造方面的研究.IQma th 在基于PWM 实现的D /A转换调试中的应用李翰麟, 潘厚宏, 王涛, 王轶(西南交通大学材料科学与工程学院, 成都610031摘要:针对T MS320F2812芯片没有D /

2、A的问题, 利用片上设备与外围电路设计用P WM 端口实现D /A转换. 利用TI 公司的I Q math 库, 得到了比一般定点处理器运算速度更快、精度更高的正弦值生成方法, 并运用该方法对所设计的D /A转换进行了调试, 调试结果证明该方法达到了设计要求. 关键词:I Q math; P WM; D /A转换中图分类号:TP311. 1文献标识码:A:-(-0139-05Appli s I /A Conversi on D ebugg i n gL I Han 2lin, P AN Hou 2hong,WANG Tao,WANG Yi(School of Materials Science

3、 and Engineering, S outh west J iaot ong University, Chengdu 610031, China Abstract:This paper f ocuses on the p r oble m of no D /Aconverter on the T MS320F2812chi p, and intr oduces the method of D /Aconversi on by utilizing the on 2chi p module and peri pheral circuit . W ith TIslibrary I Q math,

4、 the faster p r ocessing and higher p recisi on generating value of sine wave than ordinary fixed 2point p r ocess or are obtained . The above 2menti oned method is used t o debug the designed D /Aconversi on . Debugging results p r ove that the method meets the design require ments . Key words:I Q

5、math; P WM; D /Aconversi on数字控制系统的输出控制量为数字量, 在应用中需要将数字量转换成模拟量, 这就需要D /A转换. 然而在使用TI 公司的T MS320F2812微控制器时, 发现其并没有集成D /A转换器, 当然也可以通过SC I 、SP I 外扩D /A转换芯片来实现转换, 但是增加芯片就增加了控制系统的成本, 所以考虑通过简单的外围电路实现D /A转换功能. 调试转换电路时需要用微控制器进行浮点运算, 但在定点处理器上进行浮点运算速度慢、精度低, 就需要借助于TI 公司提供的I Q math 库在定点处理器上更方便地使用浮点数运算.1I Q math 及

6、使用方法I Q math 是TI 公司针对T MS320F28X 系列产品所提供的、经过优化的、具有高精度的库文件. 该库可以用来在定点DSP T MS320F28X 上实现精确的浮点运算, 方便用户采用C /C+编写浮点处理程序. 对于要求高实时和高精度的系统, 这些库函数尤其有用. 使用这些库函数完成算法运算同直接采用ANSI C 编写的程序相比速度上有明显的提高, 而且可以获得很好的精度1.I Q math 函数的输入是32位定点数, 通过小数点的定点以实现不同表示范围、不同精度的Q 格式的定点数, 即数据类型_iq30_iq1,其浮点数表示范围依次增大, 而精度却不断减小.C 程序中调

7、用I Q math 函数. 需对程序做一定修改:1 包含头文件I Q mathlib . h.2 需要将I Q math . lib 这个库文件添加到工程文件中.3 (3. 分配I Q .在分配I Q , 该段包含I Q math 函数使用的所有查表数据, 在F281X 出厂时已经固化在BOOT ROM 中. 对于硬件仿真(Emulat or 时该段必须定义为NOLOAD 类型, 程序会自动定位查表符号, 而对于软件仿真(Si m ulat or 时则不用定义为NOLOAD 类型2. 链接命令文件如下:ME MORY P AGE 0:RAMH0(R W :origin =0x3f8000, l

8、ength =0x002000BOOT ROM (RW :origin =0x3ff000, length =0x000fc0SECTI O NS /3当软件仿真时用如下段:3/I Q mathTables:l oad =BOOTROM, P AGE =0/3当硬件仿真时用如下段:3/3I Q mathTables:l oad =BOOTROM , type =NOLOAD, P AGE =03/3定义I Q math 段3/I Q math:l oad =RAMH0, P AGE =0I Q math 函数主要包括了五大类函数, 如表1所示.表1I Q math 函数的类型函数类型函数格式变

9、换函数at o I Q ( 、I Q t oF ( 、I Q t o I Q N ( 等算数运算函数I Q mpy ( 、I Q div ( 等三角运算函数I Q sin ( 、I Q cos ( 、I Q atan ( 等数学计算函数I Q sqrt ( 、I Q isqrt ( 等其他函数I Q abs ( 、I Q sat ( 等D 根据傅里叶理论可以得到通过设计低通滤波器滤除P WM 的载波频率而保留调制信号可以实现D /A转换3, 所以基于TI 公司F281X 系列DSP的P WM 端口实现D /A转换是可行的. 关键问题是设计并验证低通滤波器是否达到设计要求. 2. 1低通滤波器设

10、计模拟滤波器分为有源滤波器和无源滤波器4. 有源滤波器尽管有许多优点, 但其中的运算放大器的增益带宽并不是无限大, 其值至少为希望输入的最高频率的510倍时该有源滤波器才能正常工作. 当然可以选择高增益带宽的运放, 这就提高了D /A转换的成本, 故选择无源滤波器.为了在得到较快上升时间的同时还希望避免在滤波器的幅频响应中出现共振峰值, 一个合理的折衷阻尼比选择是在0. 707和1. 0之间. 由于各元件在电路中的排列, 二阶无源RC 滤波器是无法实现阻尼比小于1的. 而无源RLC 滤波器却能提供小于1的阻尼比. 故滤波电路选择无源RLC 滤波器. 电路如图1所示, 其滤波器性能由R 、L 、

11、C 3个元件的参数所决定. 2. 2调试方法对于所设计的低通滤波器, 需要验证其是否满足设计的3个要求:实现D /A转换、精度范围与线性度、相移情况.041重庆工学院学报 图1二阶RLC 滤波器电路2. 2. 1验证D /A转换通过P WM 端口实现D /A转换, 主要是通过改变P WM 波形的占空比来改变低通滤波器的电压输出, 那么将一个正弦波信号调制到P WM 的载波上, 通过滤波后在示波器上显示为一正弦波形, 即可验证实现了D /A功能.在程序中生成正弦波形可以通过C 语言自带的数学库文件, 但是该方法速度慢、. 种方法就是通过.当F281x (E V , 可以产生非对称P WM 信号,

12、 T1PR (T1定时器周期寄存器 和T1C MPR (T1定时器比较寄存器 的差值决定了P WM 的信号高电平宽度5. 故可以通过I Q math库函数得到相应的T1C MPR 值来调制P WM 信号, 即用一个定周期的中断(如CP U 定时器 来不断改变T1C MPR 的值, 这样P WM 信号的占空比就以正弦规律变化. 具体的程序框图如图2所示 .图2通过中断实现调制P WM 信号框图由于I Q math 函数得到的Sin 值都是-11, 而比较寄存器的值为正值, 所以要增加一个偏移量. 同时由于T1C MPR 值不能超过T1PR 的设定值, 计算式还应该乘以T1PR /2. 计算T1C

13、 MPR 程序语句为:Step =Step +_I Q mpy (Step _size,Step_freq ; if (Step >_I Q (23P I Step -=_I Q (23P I ;wavef or m =_I Q sin (Step ;out put =_I Q 15mpy (_I Q t o I Q 15(wavef or m , T1PR +_I Q 15(T1PR /2 ;EvbRegs . T1C MPR =_I Q 15int (out put ;其中_I Q mpy ( 与_I Q 15mpy ( 分别计算_iq30与_iq15格式的数的乘法. Step 是在

14、02, 0. or , 其格T1C MPR 值已经超出了_iq30格式的表示范围, 应使用格式转换函数_I Q t o I Q 15( 到合适的表示范围.输出Sin 信号的频率由CP U 定时器的中断频率和每个正弦波周期输出的点数. 比如CUP 定时器中断频率为10k, 采用20点来描述一个周期的正弦波, 则输出的信号频率为:f sin f cpu_timer每个Sin 周期输出的点数=20=500Hz 那么输出的Sin 信号的频率就可以通过CP U 定时器6的中断周期和描述Sin 波形的点数来共同决定.2. 2. 2验证精度与线性度精度与线性度这2个参数反映了所设计的D /A转换的最关键性能

15、. 可以通过线性改变T1C MPR 的值, 来观察D /A输出的模拟量. 将实际值与计算值比较确定. 2. 2. 3验证相移情况在控制系统中, 相移就意味着输出控制量有延时, 如果延时过大会造成稳定系统的失稳, 进而导致系统的失控, 所以在滤波器的参数选择时应尽量使滤波器的相移小, 以达到减小输出延时的目的.对于相移性能的验证是先通过上述方法输出一个正弦波信号, 称之为原信号, 再通过F2812的141李翰麟, 等:I Q math 在基于P WM 实现的D /A转换调试中的应用 片上AD 对原信号进行采集7, 并将采集得到的值对另一个P WM 信号(如T2PR 与T2C MPR 产生的P W

16、M 信号 进行调制, 输出得到一个新的Sin 信号, 这个新的信号在周期上与原信号完全相同, 幅值有一些差异(由采样误差和计算误差决定 . 最后将这2个信号再分别作为示波器的2路输入一起观察, 这样相移就很直观地表现出来了.3调试结果3. 1D /A转换调试结果为了观测波形精确度的决定因素对波形的影响, 调试采用的是用20个点描述一个Sin 周期, 载波频率为100k, 示波器所示波形如图3(a 所示 。图3D /A输出波形由图3a 可见波形成阶梯状, 这是由于载波频率很高而CP U 定时器中断频率相对较低, 如果减小该定时中断周期, 那么台阶的长度就会变短. 每一个台阶对应了一个数值, 一个

17、Sin 周期一共有20个台阶, 这20个台阶对应着设定的20个点所描述的一个正弦周期. 实际调试时使用的是图3b 所示的图形, 可见台阶并不明显.3. 2精度与线性度调试结果调试采用步长为100, 使T1C MPR 的值由01500变化(T1PR 的值为1500, 此时P WM 信号的频率为100kHz , 同时取步长为1使T1C MPR 的值在750760变化. 所得数据如图4、图5所示 .图4线性度实验数据图4是将T 1C M PR 为1500时的电压值定义为0V, 再把剩下15个点的平均值都同时减去T 1C M PR 为1500时对应的实际采样电压值, 最后在一个坐标系下描出16个相对转

18、换电压值得到的, 由图4可见, 在整个T 1C M PR 值的可调范围内线性度良好.图5为T 1C M PR 的值变化时. 对应输出量的变化大小. 具体的数据如表2所示.表2精度实验数据T 1C M PR 值D /A输出电压值/VT 1C M PR 值D /A输出电压值/V7501. 640457551. 63127511. 637877561. 629397521. 635777571. 626587531. 634397581. 624967541. 632497591. 62292由表中数据可得, 所设计的基于P WM 端口实241重庆工学院学报 图5精度实验数据现D /A转换的最小调节

19、精度为0. 00218V, 而计算所得的最小调节精度为0. 0022V, 实际结果比计算结果小是因为在理想低通滤波器时, T 1C M PR 的值变化1, 理论输出应变化0. 0022V, 滤波器的输出总会有纹波 , 变小. 同时图5中线性度变差也是由于上述原因造成的. 但在实际使用时应认为最小调节精度略大于理论值0. 0022V, 如按T 1PR 值为1500进行试验, 实际分辨率能达到7bit . 3. 3相移特性调试结果先将所设计的滤波器进行仿真, 得到的相移特性如图6a 所示. 再按照本文中所述方法得到结果如图6b 所示.由图6a 可见, 在低频时相移很小, 可以保证调制信号(正弦信号

20、 在1kHz 以下只有不超过-10°的相移. 即延迟时间低于50s, 这样的延迟时间说明该D /A转换方法可以应用在控制系统中.4结束语通过应用TI 公司的I Q math 库, 实现了定点处理器快速处理浮点数, 使T MS320F2812产生调制了正弦波形的P WM 信号, 该P WM 信号验证了通过P WM 端口实现D /A转换是可行的, 最后对所设计的外围电路进行了调试, 调试结果反映了所设计的D /A转换器在调制信号(正弦信号 在1kHz 以内延迟时间低于50s, 可以使用在具有一定精度、响应时间要求的控制系统或仪器仪表中.参考文献:1苏奎峰, 吕强. T MS320X281X DSP