北京交通大學電氣工程學院  宋萌

引言

正弦信號發生器是信號中最常見的一種，它能輸出一個幅度可調、頻率可調的正弦信號，在這些信號發生器中，又以低頻正弦信號發生器最為常用，在科學研究及生產實踐中均有著廣泛應用。

目前，常用的信號發生器絕大部分是由模擬電路構成的，當這種模擬信號發生器用于低頻信號輸出往往需要的RC值很大，這樣不但參數準確度難以保證，而且體積大和功耗都很大，而由數字電路構成的低頻信號發生器，雖然其低頻性能好但體積較大，價格較貴，而本文借助DSP運算速度高，系統集成度強的優勢設計的這種信號發生器，比以前的數字式信號發生器具有速度更快，且實現更加簡便。

系統原理

一般的采樣型SPWM法分自然采樣法和規則采樣法，自然采樣法是將基準正弦波與一個載波三角波相比較，由兩者的交點決定開關模式的方法。由于自然采樣法得到的數學模型需要解超越方程，因而并不適合微控制器進行實時控制，又因為實踐檢驗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則采樣法作為本系統的數學模型。

這里說明一下使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407（以下簡稱2407）來產生PWM信號的原理：由于產生一個PWM信號需要有一個適合的定時器來重復產生一個與PWM周期相同的計數周期，并用一個比較寄存器來保持調制值，因此，比較寄存器的值應不斷與定時寄存器的值相比較，這樣，當兩個值相匹配時，就會在響應的輸出上產生一個轉換（從低到高或從高到低），從而產生輸出脈沖，輸出的開啟（或關閉）時間與被調制的數值成正比，因此，改變調制數值，相關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生一定占空比的PWM脈沖信號，而使用其中的通用定時器、全比較單元和單比較單元則均可發出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，這些信號再經過外圍一系列調理電路的變換之后，便可以得到所需要的三相交流正弦波信號了。事實上，在硬件上，DSP有兩個設計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計需要。

系統硬件組成

基于DSP的信號發生器的硬件結構圖如圖1所示，它主要由DSP主控制器，輸出D/A通道和人機界面等幾個主要部分組成。

◇ 控制器部分

本系統采用TI公司的TMS320LF2407 DSP處理器，該器件具有外設集成度高，程序存儲器容量大，A/D轉換精度高，運算速度高，I/O口資源豐富等特點，芯片內部集成有32KB的FLASH程序存儲器、2KB的數據/程序RAM，兩個事件管理器模塊（EVE和EVB）、16通道A/D轉換器、看門狗定時器模塊、16位的串行外設接口（SPI）模塊、40個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳（GPIO）以及5個外部中斷和系統監視模塊。

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個通用定時器、3個比較器、6至8個PWM發生器、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展問題，而對于TMS320LF2407的I/O擴展問題，由于TMS320LF2407器件有多達40個通用、雙向的數字I/O（GPIO）引腳，且其中大多數的基本功能和一般I/O復用的引腳，而實際上，本系統只需要17路I/O信號，這樣，就可以為系統剩余50%多的I/O資源，因此可以說，該方案既不算浪費系統資源，也為系統今后的升級留有余地。

◇ 輸出D/A通道部分

本系統的輸出通道部分主要負責實現波形的輸出，此通道的入口為TMS320LF2407的PWM8口，可輸出SPWM等幅脈沖波形，出口為系統的輸出端，這樣，經過一系列的中間環節，便可將PWM脈沖波轉化為交流正弦波形，從而實現正弦波的輸出，其原理框圖如圖2所示。

圖2中的緩沖電路的作用是對PWM口輸出的數字量進行緩沖，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。一片用三態緩沖器，由于PWM口的輸出為3.3V的TTL電平，這樣，在設計時就應當選用輸入具有5V的TTL輸入，CMOS輸出電平的轉換芯片（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精密穩壓電源可選用BURR-BROWN公司生產的REF02型精密穩壓電源，以輸出標準的5V電壓。

系統中的減法電路的主要作用是把0-10V直流脈動信號的轉換成-5～+5V的正弦交流信號，并使其電壓增益為1。設計