基于TMS320F2808的信号重建方案设计

摘 要:本方案基于TMS320F2808的HRPWM功能,结合模拟开关CD4053和四阶巴特沃斯有源低通滤波器,用高精度的PWM波模拟DA,实现了精确重建20Hz―20KHz信号的功能。实际测试表明,重建信号频率平均误差小于0.226%,幅度平均误差小于3%。

关键词:DSP HRPWM 模拟开关 D/A转换 信号重建

中图分类号:TN710文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-048-02

1引言

TMS320F2808作为一款高性能的数字信号处理芯片,具有很强大的数字信号处理能力,片上嵌有AD、硬件PWM、CAP、QEP、SCI、SPI、CAN总线等丰富的外设。但是美中不足的是,没有片上DAC,使得在实际应用中有一定的缺陷。另外,音频范围内的信号生成在数字音频应用中极其广泛,目前采用的方法主要是用ADC采集到的音频信号的模拟电压大小控制PWM波的占空比,再经过适当的低通滤波器后生成原始音频信号。这种方法简单易行,但是精度和分辨率受PWM波的影响较大。本设计基于HRPWM,结合基准源与模拟开关,使得生成PWM信号的精度和分辨率比传统方法有了很大的提高,从而精确生成原音频信号。本文为了讨论方便,以生成单频正弦信号为例进行说明。

2重建原理

2.1HRPWM介绍

HRPWM是TI公司的DSP芯片有的技术,它通过使用边缘定位技术,使得每个通道均可提供150皮秒分辨率的PWM信号,可在100KHz与1.5MHz控制环路下分别提供16位与12位精度,因此尤其适用于要求高分辨率、高频PWM应用的场合,在生成PWM频率大于300KHz时优势尤为明显。其与普通PWM的表现能力见图1。

图1普通PWM与HRPWM性能比较

2.2HRPWM合成高精度信号原理

当PWM信号的占空比随时间变化,那么通过相应截止频率的低通滤波器之后的输出信号将是幅度连续变化的模拟信号,也就是用PWM模拟DA。因此,用原始信号的幅度去控制PWM信号的占空比,然后通过相应的滤波电路后,就可以产生原始信号。DAC的分辨率等于产生模拟信号的PWM信号的分辨率。PWM信号的分辨率决定于计数器的长度和能够实现的最小占空比。用数学表达式如下:

(1)

其中Rcounts是以计数值为单位的分辨率,C是最小占空比。比特分辨率用(2)式计算:

(2)

PWM 信号需要的输出频率等于DAC的更新频率,因为PWM信号占空比的每一次变化等效于一次DAC变换。PWM 定时器所需的频率取决于PWM信号频率和所需的分辨率。

如果要用不小于12-bit的DAC来产生极限频率为20KHz的正弦波,根据抽样定理,最低的抽样频率应该为40KHz。但是通常情况下,PWM信号的频率要远高于Nyquist抽样速率。这是因为PWM信号的频率越高,对滤波器的阶数就要求越低,相应的滤波器越容易实现。TMS320F2808具有4路的HRPWM,当DSP主频为100 MHz时,可实现200 kHz的PWM输出,计数器有效位仅为9位,分辨率为0.2%,难以满足高精度要求,而采用MEP技术的HRPWM却极大提高输出脉宽的分辨率。HRPWM可以达到14.8的有效位数和0.004%的分辨率,分辨率提高50倍。在本设计中,ePWM的频率设为312.5KHz,当TMS320F2808主频为100MHz时,相应DAC的分辨率为:

(3)

3硬件实现

根据以上原理分析,要产生单频正弦信号,PWM信号需要通过一定截止频率的低通滤波器,才能生成特定频率的正弦信号。

本系统选用TI公司的运放OPA2228来组建外部有源滤波器。OPA2228是一款高精度、低噪声的运放,且具有很高的开环增益和共模抑制比,33MHz的带宽很适合做有源滤波器。

当低通滤波器的截止频率过高时,生成信号会有较大的纹波,过低时过渡带的衰减使得生成信号频率较高时,相应的衰减不易控制。因此,低通滤波器需要有较平坦的通带相应,阻带有足够的衰减。故我们选择使用四阶巴特沃斯低通滤波器,使用TI的滤波器快速设计工具TI FilterPro,很快地就设计出了此低通滤波器,电路见图2。为了使DSP输出的PWM信号幅值有足够的精度,我们采用模拟开关CD4053配合基准源,把基准电压作为输入,PWM信号作为控制信号,使得输出的PWM信号幅值稳定在基准电压。

图2硬件部分电路图

此外,对于不同频率点,外部滤波器会有不同的衰减,本设计通过对电路的衰减系数进行精确测量,进行相应的补偿,可以得到非常准确的信号。滤波器幅频特性如图3所示。

4软件实现

TMS320F2808具有4路的HRPWM,当DSP主频为100 MHz时,可实现200 kHz的PWM输出,计数器有效位仅为9位,分辨率为0.2%,难以满足高精度要求。而采用MEP技术的HRPWM极大地提高了输出脉宽的分辨率。HRPWM可以达到14.8位的有效位数和0.004%的分辨率,分辨率提高了50倍。在本设计中,ePWM的频率设为312.5KHz,使系统获得了高达14.12位的分辨率,再通过模拟开关的高效整形电路、4阶滤波电路,确保了系统生成高精度信号。

因为系统的中断频率为312.5KHz,在中断中需要高精度的计算复合信号每个点的占空比数值,计算量还是比较大的。Sin函数的表格,本系统使用DSP中BOOT ROM中的512点的_iq30正弦表。因为系统的GLOBAL_Q为_iq15,因此还需要进行_IQ30toIQ的格式转换。通过不断的优化程序,每次中断的运算量控制在了100个系统时钟以内,并且系统运作稳定。这一切都源于_Iqmath技术使得C2000定点型DSP完成了和浮点型DSP芯片同样的优异性能。详细软件流程见图3。

图3软件流程图

5系统测评

在系统测评中,生成信号由TDS1002 数字存储示波器测试的。我们随机选取了几个测量点,包括频率极大值、极小值,幅度极大值、极小值,以及中间频率值。结果测得合成信号的平均频率误差为0.226%,平均幅度误差为2.184%。表1显示了其中几组测量结果。

表1生成信号部分测试结果

6结论

本设计方案充分利用了DSP快速、强大的数据处理能力,在中断频率达到312.5KHz时系统仍能够正常工作。利用高精度的HRPWM功能结合巧妙的硬件设计,高精度地生成了预期正弦信号。生成的单频正弦信号的频率精确到1Hz,幅值误差也控制在3%以内。

参考文献:

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京:北京航空航天出版社,2006.

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