北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院  宋萌

引言

正弦信號發(fā)生器是信號中最常見的一種，它能輸出一個幅度可調(diào)、頻率可調(diào)的正弦信號，在這些信號發(fā)生器中，又以低頻正弦信號發(fā)生器最為常用，在科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中均有著廣泛應(yīng)用。

目前，常用的信號發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構(gòu)成的，當(dāng)這種模擬信號發(fā)生器用于低頻信號輸出往往需要的RC值很大，這樣不但參數(shù)準(zhǔn)確度難以保證，而且體積大和功耗都很大，而由數(shù)字電路構(gòu)成的低頻信號發(fā)生器，雖然其低頻性能好但體積較大，價(jià)格較貴，而本文借助DSP運(yùn)算速度高，系統(tǒng)集成度強(qiáng)的優(yōu)勢設(shè)計(jì)的這種信號發(fā)生器，比以前的數(shù)字式信號發(fā)生器具有速度更快，且實(shí)現(xiàn)更加簡便。

系統(tǒng)原理

一般的采樣型SPWM法分自然采樣法和規(guī)則采樣法，自然采樣法是將基準(zhǔn)正弦波與一個載波三角波相比較，由兩者的交點(diǎn)決定開關(guān)模式的方法。由于自然采樣法得到的數(shù)學(xué)模型需要解超越方程，因而并不適合微控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，又因?yàn)閷?shí)踐檢驗(yàn)對稱波形比非對稱波形在三相電的相電流中引起的諧波失真小，所以我們使用對稱規(guī)則采樣法作為本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

這里說明一下使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407（以下簡稱2407）來產(chǎn)生PWM信號的原理：由于產(chǎn)生一個PWM信號需要有一個適合的定時(shí)器來重復(fù)產(chǎn)生一個與PWM周期相同的計(jì)數(shù)周期，并用一個比較寄存器來保持調(diào)制值，因此，比較寄存器的值應(yīng)不斷與定時(shí)寄存器的值相比較，這樣，當(dāng)兩個值相匹配時(shí)，就會在響應(yīng)的輸出上產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換（從低到高或從高到低），從而產(chǎn)生輸出脈沖，輸出的開啟（或關(guān)閉）時(shí)間與被調(diào)制的數(shù)值成正比，因此，改變調(diào)制數(shù)值，相關(guān)引腳上輸出的脈沖信號的寬度也將隨之改變。

通過TMS320LF2407的事件管理器模塊可以產(chǎn)生一定占空比的PWM脈沖信號，而使用其中的通用定時(shí)器、全比較單元和單比較單元則均可發(fā)出PWM脈沖，由DSP的PWM口可輸出一系列等幅不等寬的PWM波形信號，這些信號再經(jīng)過外圍一系列調(diào)理電路的變換之后，便可以得到所需要的三相交流正弦波信號了。事實(shí)上，在硬件上，DSP有兩個設(shè)計(jì)一樣的事件管理模塊（EVA/EVB），每一個事件管理模塊都有6個PWM輸出口，故可輸出兩組三相SPWM波，一般均可滿足通常的設(shè)計(jì)需要。

系統(tǒng)硬件組成

基于DSP的信號發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它主要由DSP主控制器，輸出D/A通道和人機(jī)界面等幾個主要部分組成。

◇ 控制器部分

本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407 DSP處理器，該器件具有外設(shè)集成度高，程序存儲器容量大，A/D轉(zhuǎn)換精度高，運(yùn)算速度高，I/O口資源豐富等特點(diǎn)，芯片內(nèi)部集成有32KB的FLASH程序存儲器、2KB的數(shù)據(jù)/程序RAM，兩個事件管理器模塊（EVE和EVB）、16通道A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器模塊、16位的串行外設(shè)接口（SPI）模塊、40個可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳（GPIO）以及5個外部中斷和系統(tǒng)監(jiān)視模塊。

TMS320LF2407芯片中的事件管理模塊（EV）是一個非常重要的組成部分。SPWM波形的產(chǎn)生和輸出就是由這一部分完成的，它由兩個完全相同的模塊（EVA和EVB）組成，每個模塊都含有2個通用定時(shí)器、3個比較器、6至8個PWM發(fā)生器、3個捕獲單元和2個正交脈沖編碼電路（QEP）。由于TMS320LF2407有544字的雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM）；而本系統(tǒng)的程序僅有幾KB，且所用RAM也不多，因此不用考慮存儲器的擴(kuò)展問題，而對于TMS320LF2407的I/O擴(kuò)展問題，由于TMS320LF2407器件有多達(dá)40個通用、雙向的數(shù)字I/O（GPIO）引腳，且其中大多數(shù)的基本功能和一般I/O復(fù)用的引腳，而實(shí)際上，本系統(tǒng)只需要17路I/O信號，這樣，就可以為系統(tǒng)剩余50%多的I/O資源，因此可以說，該方案既不算浪費(fèi)系統(tǒng)資源，也為系統(tǒng)今后的升級留有余地。

◇ 輸出D/A通道部分

本系統(tǒng)的輸出通道部分主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)波形的輸出，此通道的入口為TMS320LF2407的PWM8口，可輸出SPWM等幅脈沖波形，出口為系統(tǒng)的輸出端，這樣，經(jīng)過一系列的中間環(huán)節(jié)，便可將PWM脈沖波轉(zhuǎn)化為交流正弦波形，從而實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出，其原理框圖如圖2所示。

圖2中的緩沖電路的作用是對PWM口輸出的數(shù)字量進(jìn)行緩沖，并將電壓拉高到5V左右，以供后級模擬電路濾波使用。這一部分電路由兩個芯片組成。一片用三態(tài)緩沖器，由于PWM口的輸出為3.3V的TTL電平，這樣，在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)當(dāng)選用輸入具有5V的TTL輸入，CMOS輸出電平的轉(zhuǎn)換芯片（如TI公司的74HCT04）；另一片則可選用TOSHIBA公司出品的光電耦合器6N137；輸出端連接的5V精密穩(wěn)壓電源可選用BURR-BROWN公司生產(chǎn)的REF02型精密穩(wěn)壓電源，以輸出標(biāo)準(zhǔn)的5V電壓。

系統(tǒng)中的減法電路的主要作用是把0-10V直流脈動信號的轉(zhuǎn)換成-5～+5V的正弦交流信號，并使其電壓增益為1。設(shè)計(jì)