DSP多波形任意信号发生器实验报告

北京交通大学

数字信号处理（DSP）

综合设计性实验报告

题目：任意信号发生器的设计

学院：电子信息工程学院

班级：

指导教师：钱满义

学生：

北京交通大学电工电子教学基地

2013年7月15日

目录

一、设计任务…………………………………………………

二、实验目的…………………………………………………

三、实验要求及目标…………………………………………………

四、实验原理…………………………………………………

五、程序代码及仿真结果…………………………………………………

1. 泰勒级数产生正弦波

2. 泰勒级数产生余弦波

3. 三角波

4. 方波

5. 锯齿波

六、实验总结…………………………………………

七、参考资料…………………………………………

一. 设计任务

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。信号发生器在现代工程中应用非常广泛。在实际中常需要产生一些特殊波形，用于仿真实际信号的波形，以检测和调试测量装置。

使用 DSP可以产生连续的正弦波信号，同样也能产生方波、锯齿波、三角波等其它各种信号波形。本设计要求采用DSP及其CODEC产生上述各种信号波形。

二. 实验目的

（1）了解产生信号的两种方法及各自的优缺点。

（2）掌握使用DSP产生正弦波的原理和算法，进而掌握一般信号产生的原理和方法。

（3）掌握5502DSK CODECC的工作原理和初始化过程。

三. 设计要求及目标

基本部分：

使用DSP产生300—4000HZ的正弦信号，要求使用计算法，并且频率可变、幅度可变、直流分量可变。

发挥部分：

使用DSP产生300—4000HZ的方波、锯齿波和三角波。

四. 设计思路

产生连续信号的方法通常有两种：查表法和计算法，查表法不如计算法使用灵活。计算法可以使用泰勒级数展开法进行计算，也可以使用差分方程进行迭代计算或者直接使用三角函数进行计算。计算结果可以边计算边输出，也可以先计算后输出。

正弦函数和余弦函数的泰勒级数数学表达式为：

=

x sin

+

-

-

+

-

+

-

+

-

-

-

)!

1

2(

)1

(

!9

!7

!5

!3

1

2

1

9

7

5

3

n

x

x

x

x

x

x

n

n

,x?)

,

(∞

-∞

∈

=

x cos

+

-

+

-

+

-

+

-

)!

2(

)1

(

!8

!6

!4

!2

1

2

8

6

4

2

n

x

x

x

x

x n

n

,x?)

,

(∞

-∞

∈.

如果要计算一个角度ⅹ的正弦和余弦值，可以取其前五项进行近似计算。或使用下面递归的差分方程进行计算。

y[n]=A*y[n-1]-y[n-2] 其中：A=2cos(x)，x=2πF/F S。F—信号频率，F S—D/A转换频率。

利用递推公式计算正弦和余弦值需要已知cos(x)和正弦、余弦的前两个值。计算时所需的计算量小，但如果用来产生连续的正弦和余弦信号，则累积误差太大。要得到精确的计算结果，可以使用泰勒级数展开法进行计算，当然计算时所需的计算量很大。在实际应用时可以根据需要选择相应的算法。

要产生一个正弦信号，首先要算出一个周期内各样点的值，因为sin(x)的值总是小于1的小数，而5402 DSP是16位的定点处理器，所以要将其乘以

215，变为Q15的数据格式，才能够在DSP中送到D/A转换器进行处理。

查表法与计算法的优缺点比较：

查表法：事先将要输出的数据计算好，存储在DSP的内部RAM中，然后依次循环输出，从而才生波形。这种方法的优点在于其速度快，可以产生频率很高的波形，而且不占用DSP的计算时间，它的缺点是需要占用DSP的内存空间，尤其是对采样频率比较大的输出波形，所需要的内部空间很大，所以这种方法用于对精度和频率要求不高的场合。

计算法：采用计算的方法依次计算数据然后输出。计算法的优缺点正好和查表法相反。其优点是不占用DSP的存储空间，可以根据信息随时间改变或调整输出波形的周期波形；其缺点是占用DSP的计算时间，使得执行程序的开销大

在本次实验中我们采用计算法来产生正弦波，并且同时使用了泰勒级数、递归差分方程和三角函数计算三种方法来进行计算，以对这三种算法进行横向比较。

五. 程序代码及仿真结果

1.泰勒级数法实现正弦波

程序代码：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

//#include "E2PROM_Function.h"

#include "CODEC.h"

#define Nx 720 //每周期抽取点数

#pragma DATA_SECTION(output1,"data_out1"); //存放sin数据,浮点型

float output1[Nx];

#pragma DATA_SECTION(output,"data_out"); //存放sin数据，定点型

int output[Nx];

#define pi 3.1415927

#define pi2 2*pi

#define F0 1000 //Signal frequency

#define Fs 16000 //Sampling frequency//

#undef CODEC_ADDR

#define CODEC_ADDR 0x1A

#define _COSX 0.999390827

/* Global declarations */

//int inp_buffer[BUFSIZE]; /* processing data buffers */

//int out_buffer[BUFSIZE];

int gain = MINGAIN; /* volume control variable */

int frequency = MINGAIN;

int abc = MINGAIN;

unsigned int processingLoad = BASELOAD; /* processing routine load value */ /*****************余弦函数*****************/

int o=2;

int dacdata[Nx];

float _cosx[Nx];

/*****************方波函数*********/

double squ[Nx];

int dacdata2[Nx];

int outbuffer[Nx];

int amp=100;

unsigned int t=0;

/*****************锯齿波*****************/

double z=0;

double dt;

unsigned int p=0;

double saw[Nx];

int dacdata4[Nx],outbuffer3[Nx];

double tri[Nx];

int dacdata3[Nx],outbuffer2[Nx];

int amp2=2;

double T=0, DT;

unsigned int I=0;

// 定义McBSP的句柄

MCBSP_Handle hMcbsp;

/*------------------------------------------------------------------------------------*/

//

// FUNCTION: MAIN

//

/*------------------------------------------------------------------------------------*/

void main(void)

{

Uint16 i=0,k=0;

float input0=0,x1;

float a,b,c,d,e,f,g,h,ii,step;//step为角度步长

step=360.0/Nx; // Nx为360度内取样点数

/*****************正弦函数*****************/

for(i=0;i<=Nx-1;i++)

{

float angle,xx;

angle=input0+step*i;

x1=3.1415926*angle/180; //将角度转为弧度

xx=x1*x1;

a=1-xx/16/17;b=1-xx/14/15*a;c=1-xx/12/13*b;d=1-xx/10/11*c;e=1-xx/8/9*d;f=1-xx/6/7*e; g=1-xx/4/5*f;h=1-xx/2/3*g;ii=x1*h;

//ii=x1*(1-xx/2/3*(1-xx/4/5*(1-xx/6/7*(1-xx/8/9*(1-xx/10/11*(1-xx/12/13*(1-xx/14/15*(1-x x/16/17))))))));//数学总公式

// fprintf(stdout,"COMPUTE%f",ii); fprintf(stdout,"\n "); //输出计算的正弦波的数值,x2=e

output1[i]= 32767*ii; //利用泰勒级数计算出正弦波的数值，存放到output1中

output[i]=output1[i]/32;

// Initialize CSL library - This is REQUIRED !!!

// The main frequency of system is 240MHz

// 该频率是为了设置IIC模块的需要设置的,为了使用I2C_setup函数

PLL_setFreq(1, 0xC, 0, 1, 3, 3, 0);

//EMIF初始化

Emif_Config();

// Open McBSP port 1 and get a McBSP type handle

hMcbsp = MCBSP_open(MCBSP_PORT1,MCBSP_OPEN_RESET);

// Config McBSP port 1 by use previously defined structure

Mcbsp_Config(hMcbsp);

//I2C初始化

I2C_cofig();

//CODEC寄存器初始化

inti_AIC();

/*------------------------------------------------------------------------------------*/

// Receive the ADC output data of CODEC

// Then output the received data to DAC of CODEC

/*------------------------------------------------------------------------------------*/

while(1)

{

while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)) {};

MCBSP_write16(hMcbsp, dacdata4[k]*gain+abc); //左声道输出while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)) {};

MCBSP_write16(hMcbsp, dacdata4[k]*gain+abc); //右声道输出k=k+1+frequency; //正弦波每周期的样点为360个，输出信号的频率为Fs/N=32000/360=88.89Hz

// k=k+10; //正弦波每周期的样点为36个，输出信号的频率为Fs/N=32000/36=888.9Hz

if (k>=Nx) k=k%Nx;

}

}

}

GEL文件：

Amp.gel:

menuitem "Signal Gain"

slider gain(0,1000,1,1,gainparameter) {

Amp=gainparameter;

}

Fre.gel:

menuitem "Signal Frequency" slider fre(40,1000,1,1,freparameter) {

Fre=freparameter;

}

硬件仿真结果：

添加GEL程序进行变量的滑块控制

经测试仪测试为516Hz，基本正确。

设计程序输出频率范围为40—1000Hz。

设计程序输出幅度范围为0-1000V。

2.泰勒级数法实现余弦波

程序代码：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

//#include "E2PROM_Function.h"

#include "CODEC.h"

#define K 0 //直流分量

#pragma DATA_SECTION(output1,"data_out1"); //存放cos数据,浮点型

float output1[1000];

#pragma DATA_SECTION(output,"data_out"); //存放cos数据，定点型

int output[1000];

volatile int Fre; //余弦波每周期的样点为Nx个，输出信号的频率为Fs/Nx=32000/Nx volatile int gain; //余弦波幅度范围定义为0-1000V

#undef CODEC_ADDR

#define CODEC_ADDR 0x1A

// 定义McBSP的句柄

MCBSP_Handle hMcbsp;

/*------------------------------------------------------------------------------------*/

//

// FUNCTION: MAIN

/*------------------------------------------------------------------------------------*/

void main(void)

{

Uint16 i=0,k=0;

int Nx=(int)32000/Fre; //将输入的频率值转变为Nx值

int amp=(int)gain/3.14;

float input0=0,x1,x2;

float a,b,c,d,e,f,g,h,ii,step; //step为角度步长

step=360.0/Nx; // Nx为360度内取样点数

/*****************余弦函数*****************/

_cosx[0]=1.000;

dacdata[0]=200;

_cosx[1]=_COSX;

dacdata[1]=_COSX*100+100;

while(1)

{

if(o++>Nx-1)

break;

_cosx[o]=2*_COSX*_cosx[o-1]-_cosx[o-2];

dacdata[o]=_cosx[o]*100+100;

}

}

// Initialize CSL library - This is REQUIRED !!!

CSL_init();

// The main frequency of system is 240MHz

// 该频率是为了设置IIC模块的需要设置的,为了使用I2C_setup函数PLL_setFreq(1, 0xC, 0, 1, 3, 3, 0);

//EMIF初始化

Emif_Config();

// Open McBSP port 1 and get a McBSP type handle

hMcbsp = MCBSP_open(MCBSP_PORT1,MCBSP_OPEN_RESET); // Config McBSP port 1 by use previously defined structure Mcbsp_Config(hMcbsp);

//I2C初始化

I2C_cofig();

//CODEC寄存器初始化

inti_AIC();

while(1)

{

while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)) {};

MCBSP_write16(hMcbsp, dacdata[k]*gain+abc); //左声道输出while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)) {};

MCBSP_write16(hMcbsp, dacdata[k]*gain+abc); //右声道输出k=k+1+frequency;

if (k>=Nx) k=k%Nx;

}

}

GEL文件：

ampcos.gel:

menuitem "Signal Gain"

slider gain4(0,1000,1,1,gainparameter)

{

gain=gainparameter;

}

Frecos.gel:

menuitem "Signal Frequency"

slider fre4(40,1000,1,1,freparameter)

{

Fre=freparameter;

}

硬件仿真结果：

添加GEL程序进行变量的滑块控制

此时设定输出幅度为355V，示波器测得电压为355V，输出频率为458Hz。经测试仪测试为473Hz，基本正确。

设计程序输出频率范围为40—1000Hz。

设计程序输出幅度范围为0-1000V。

3.三角波

程序代码：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include "CODEC.h"

#define pi 3.1415927

#define pi2 2*pi

#undef CODEC_ADDR

#define CODEC_ADDR 0x1A

volatile int Fre; //三角波每周期的样点为Nx个，输出信号的频率为Fs/Nx=32000*2/Nx

volatile int Amp; //三角波幅度范围定义为0-1000V

double tri[2000]; //存放三角波数据

int outbuffer[2000]; //存放输出数据

double T=0, DT; //中间控制变量

unsigned int I=0;

// 定义McBSP的句柄

MCBSP_Handle hMcbsp;

/*------------------------------------------------------------------------------------*/

//

// FUNCTION: MAIN

//

/*------------------------------------------------------------------------------------*/

void main(void)

{

Uint16 i=0,k=0;

int Nx=(int)(64000/Fre); //将输入的频率值转变为Nx值

int amp3=(int)(Amp/8.09);

/*****************三角波函数*****************/

DT=8*pi*F0/Fs;

for(T=0,I=0;I<=Nx/4;I++,T+=DT)

{tri[Nx/2-I]=tri[I]=T;

}

for(T=0,I=Nx/2;I<=3*Nx/4;I++,T+=DT)

{

tri[I]=T;

tri[Nx-I+Nx/2]=tri[I];

}

for(I=0;I<=Nx;I++)

{ dacdata3[I]=tri[I]*10;

}

// Initialize CSL library - This is REQUIRED !!!

CSL_init();

// The main frequency of system is 240MHz

PLL_setFreq(1, 0xC, 0, 1, 3, 3, 0);

//EMIF初始化

Emif_Config();

// Open McBSP port 1 and get a McBSP type handle

hMcbsp = MCBSP_open(MCBSP_PORT1,MCBSP_OPEN_RESET); // Config McBSP port 1 by use previously defined structure Mcbsp_Config(hMcbsp);

//I2C初始化

I2C_cofig();

//CODEC寄存器初始化

inti_AIC();

while(1)

{

while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)) {};

MCBSP_write16(hMcbsp, outbuffer2[k]); //左声道输出while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)) {};

MCBSP_write16(hMcbsp, outbuffer2[k]); //右声道输出k=k+1+frequency;

if (k>=Nx) k=k%Nx;

}

}

GEL文件：

amptri.gel:

menuitem "Signal Gain"

slider amp3(0,1000,1,1,gainparameter)

{

Amp=gainparameter;

}

Fretri.gel:

menuitem "Signal Frequency" slider fre4(40,1000,1,1,freparameter) {

Fre=freparameter;

}

硬件仿真结果：

添加GEL程序进行变量的滑块控制：