DSP实训讲义.docx
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DSP实训讲义
DSP实训讲义
目录：
第一章电子系统设计总论
第一节电子系统设计方法
第二节电子系统的调试、组装与总结
第三节电子系统的电磁兼容
第二章DTMF信号发生和接受器系统设计
第一节什么是DTMF信号
第二节DTMF信号发生器的要求
第三节DTMF信号检测方法
第三章DTMF信号发生/检测器的设计
第一节基于DSP的DTMF信号发生器硬件设计
第二节基于DSP的DTMF信号检测器硬件设计
第三节DTMF信号发生器软件设计
第四节DTMF信号检测器软件设计
附录一protel简介
附录二CCS2.0简介
第一章电子系统设计总论
从一般系统到电子系统
以系统的观点分析电子系统，那么一个电子系统应该有输入，输出，以及输入输出之间的映射关系，如果输入向量用
，输出向量用
，输入和输出之间的映射关系用
表示，那么输入输出之间有：
，
对于一个物理可实现的系统来说首先确定的是系统输入输出之间的映射关系也就是
；对于一个系统来说往往工作在某种环境或者是某些环境下因此往往要求系统能在这种环境下可靠工作也就是环境在一定范围变化的情况下系统输入输出之间的关系还要能保持。
因此在设计一个系统的时候应该考虑两个至少是两个特性：
一系统输入和输出之间的关系这个关系可以说就是系统要完成的功能或者说是任务二当系统的工作环境在一定范围变化的时候，系统仍然能够完成设计时的输入和输出之间关系的能力这种能力就叫做可靠性
电子系统的设计时应考虑的基本问题
在电子系统设计阶段应考虑以下两个问题：
一、功能设计二、可靠性设计
电子系统的功能是一个电子系统的主要特性，在设计的时候是设计人员主要考虑问题。
设计一个电子系统是为了能在一定的环境和一定的时间段内完成一定的任务，因此设计者在设计电子系统的时候不但要考虑电子系统功能，还要考虑设计的电子系统能不能在规定的环境和时间段上完成设计的功能，也就是要考虑设计的电子系统在一定的环境变化范围内和期望的时间长度上能不能可靠的完成设计时的功能因此电子系统的可靠性是电子系统在规定的时间和环境条件下完成设计的功能的能力，度量可靠性能力的指标就是可靠性度量
电子系统功能设计方法
电子系统设计方法一般有：
A自下向上设计方法，B自顶向下设计方法
电子系统传统的设计方法是自下向上设计方法这种方法是采用中小规模集成电路和分立元件对电路板设计，采用这种方法对一个复杂电子系统进行设计的时候往往是先设计好底层的电路然后搭积木一般用设计好的底层电路搭建复杂的电子系统。
一旦某个底层电路出问题那么检查起来会很困难。
并且由于系统元器件数目和种类众多连线复杂不但检测故障困难，而且系统的可靠性不高。
随着大规模集成电路的出现和现场可编程器件以及专用ASIC的使用、EDA工具的出现，电子系统的设计方法也从传统的自下向上的设计方法逐渐转变到自顶向下的设计方法。
采用这种方法设计电子系统的时候一般是：
先进行系统的行为设计，行为设计是确定该电子系统的功能、性能、及允许的芯片面大小、
成本预算等。
然后进行系统的结构设计，是根据该系统或芯片的特点分解成几个接口清晰、功能明确的子系统,使之得到一个总体结构。
逻辑设计是将结构设计的几个子系统转换成逻辑图电路。
电路设计包括设计输入和仿真两个部分。
目前,EDA技术使得电路设计输入方便了许多,如用原理图输入是利用软件系统提供的元器件库及各种符号和连线画出原理图,形成原理图输入文件;用VHDL硬件描述语言的输入方式是用文本方式描述设计,这种输入方式,因具有设计与工艺的无关性、语言的公开和宽范围的描述能力、以及便于组织大规模系统的设计,已成为当前设计的主体。
仿真部分是电路设计不可缺少的部分,它包括功能仿真和时序仿真;功能仿真是在设计输入完成之后选择具体器件之前进行的逻辑功能验证（它不包括延时效果）,若发现错误则返回设计输入中修改设计输入;时序仿真是在选择了具体器件并完成布局、布线之后进行的时序关系仿真,是与实际器件工作情况基本相同的仿真。
最后的版图设计是将电路图转换成版图。
电子系统可靠性设计方法。
从工程角度出发，可靠性可直观定义为产品无故障完成任务的能力。
从统计学出发，在1957年美国电子设备可靠咨询组发表的报告中把可靠性定义为：
在规定的时间内和给定的条件下，无故障完成规定功能的概率，即可靠度。
我国军用标准GJB451-90把可靠性定义成产品在规定的时间和规定的条件内完成规定的功能的能力，可靠性的概率度量称为可靠度。
1991年美国国防部的（国防采办管理政策和程序）把可靠性定义为：
系统及其组成部分在无故障，无退化或不要求保障系统的情况下执行其功能的能力。
可靠性分固有可靠性和使用可靠性以及从设计角度分基本可靠性和任务可靠性。
固有可靠性是只考虑承制方在设计和生产中能控制的故障事件，用于描述产品的设计和制造的可靠性水平。
使用可靠性是综合考虑产品设计、制造、安装环境、维修策略和修理因素，用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。
基本可靠性考虑要求保障的所有故障的影响，用于度量产品无需保障的工作能力，包括与维修和供应有关的可靠性，一般用平均故障间隔时间来度量（MTBF）。
任务可靠性是考虑造成任务失败的故障影响，用于描述产品完成任务的能力通常用任务可靠度（MR）和致命性的故障间隔任务时间（MTBCF）来度量。
可靠性设计是与功能设计同时进行的。
它的主要任务是排除一切不可靠性主要因素和危险事故发生的可能性，并拟定为了必要的事故预防而采取的事前措施，产品的固有可靠度可通过实行这一事前措施来达到所期望的目标-使用可靠度
可靠性设计包括可靠性分析、冗余设计、降额设计、热设计、电磁兼容设计、三防设计、漂移设计、抗振设计、潜在通路分析、结构设计、机械概率设计、抗疲劳和磨损腐蚀设计、人机工程设计、维修性设计、失效安全设计、安全性设计、工艺设计以及其他特殊设计
软件可靠性设计
软件可靠性是指软件能在规定的环境和规定的时间内，能按照要求和说明规格正确地完成任务的能力
第一节电子系统设计步骤
设计一个电子电路系统，首先必须明确系统的设计任务和设计目标．根据任务和目标进行方案选择．然后对方案中的各部分进行单元电路的设计、参数计算和元器件选择，最后将各部分连接在一起，画出一个符合设计要求的完整的系统电路图。
一、明确系统的设计任务要求
对系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能、指标、内容及要求，以便明确系统应完成的任务。
二、方案选择
这一步的工作要求是把系统要完成的任务分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。
方案选择的重要任务是根据掌握的知识和资料，针对系统提出的任务、要求和条件，完成系统的功能设计。
在这个过程中要保证方案的设计合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进。
并且对方案要不断进行可行性和忧缺点的分析，最后设计出一个完整框图。
三、单元电路的设计、参数计算和器件选择
根据系统指标和功能框图，明确任务，进行各单元电路的设计、参数计算和元器件选择
1．单元电路设计
单元电路是整机的一部分．只有把各单元电路设计好才能提高整体设计水平。
每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务，详细拟定出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。
且体设计时．可以模仿成熟的先进的电路，也可以进行创新或改进，但都必须保证性能要求。
而且，不仅单元电路本身要求设计合理，各单元电路间也要互相配合，注意各部分的输入信号、输出信号和控制信号的关系。
2参数计算
为保证单元电路达到功能指标要求，就需要用电子技术知识对参数进行计算，例如放大电路中各电阻值、放大倍数；振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数。
只有很好地理解电路工作原理．正确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。
参数计算时，同一个电路可能有几组数据，注意选择一组能完成电路设计功能、在实践中真正实际可行的参数，
计算电路参数时应注意下列问题：
（1）元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求。
（2）元器件的极限参数必须留有足够裕量，一般应大于额定值的1．5倍。
（3）电阻器和电容器的参数应选计算值附近的标称值。
3．元器件选择
〔1）阻容元件的选择。
电阻器和电容器种类很多，正确选择电阻器和电容器是很重要的。
不同的电路对电阻器和电容器性能的要求也不同，有些电路对电容器的漏电流要求很严，有些电路对电阻器、电容器的性能和容量要求很高，如滤波电路中常用大容量100PF一3000PF铝电解电容器，为滤掉高频，通常还需并联小容量（0.01—0.1uf）的瓷片电容器。
设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件．并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。
（2）分立元件的选择。
分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电二极管、光
电三极管、晶闸管等。
根据其用途分别进行选择。
选择的器件种类不同，注意事项也不同。
例如选择晶体三极管时．首先注意是NPN还是
PNP型，是高频管还是低频管，是大功率管还是小功率管，并注意管子的参数
是否满足电路设计指标的要求，高频工作时要求
为工作频率
（3）集成电路的选择。
由于集成电路可以实现很多单元电路其至整机电路的功能，所以选择集成电路设计单元电路和总体电路既方便又灵活，它不仅使系统体积缩小，而且性能可靠，
便于调试及安装，在设计电路时颁受欢迎。
集成电路有模拟集成电路和数字集成电路。
器件的型号、功能、特性可查阅有关手册。
选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且要满足功耗、电压、速度、
价格等多方面要求。
四、计算机辅助设计
随着电子计算机及其相关技术的发展，一门崭新的技术正在世界范围内兴起，这就是计算机辅助设计（CAD）技术。
电子电路CAD是CAD技术的一个分支，它旨在帮助电子设计工程师开发新的电子电路与系统，其内容包括方案验证与设计、电路与印刷板设计等。
1．电路图的绘制
目前比较流行的或应用广泛的绘图软件包有PROTEL和orCAD.软件的使用见附录。
绘制电路图的时候，要注意以下事项：
（1）布局合理、排列均匀、图面清晰、便于看图、有利于对图的理解和阅读。
有时一个总电路因由几部分组成，绘图时应尽量把总电路图画在一张纸上。
如果电路比较复朵，需绘制几张图，则应把主电路图画在同一张图纸上，而把一些比较独立或次要的部分画在另外的图纸上，并在图的断口处做上标记，标出信号从一张图到另一张图的引出点和引入点，以此说明各图纸在电路连线之间的关系。
有时为了强调并便于里清各单元电路的功能关系，每—个功能单元电路的元件应集中布置在一起，并尽可能按工作顺序排列。
〔2）注意信号的流向，一般从输入端或信号源画起，从左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路，而反馈通路的信号流向则与此相反。
（3）图形符号要标准，图中应加适当的标注。
电路图中的中、大规模集成电路器件，一般用方框图表示，在方框中标出它的型号，在方框的边线两侧标山每极线的功能名称和管脚号除中、大规模器件外，其余元器件符号应当标准化。
（4）连接线应为直线，并且交叉和折弯应最少。
通常连接线可以水平布置或垂直布置，一般不画斜线。
互相连通的交叉线，应在交义处用圆点表示。
根据需要，可以在连接线上加注
信号名或其它标记，表示其功能或共去向。
有的连线可用符号表示，例如器件的电源一般标
电源电压的数值。
2电子电路的仿真
在电子系统的方案选择、电路设计以及参数计算和元器件选择后，但是，方案的
选挥是否合理，电路设计是否正确，元器件选择是否经济，这些问题还有待于研究。
传统
设计方法只能通过实验来解决以上问题，这样不仅延长了出厂设计时间，而且需要大量元器件，有时设计不当可能要烧坏元器件，因此设计成本高。
而利用电子电路CAD技术，可对设计的电路进行分析、仿真、虚拟实验，不仅提高了设计效率，而日可以通过反复仿真得到一个最佳方案。
3．印刷电路板的设汁
借助计算机对印刷电路板进行辅助设计已经取代了传统的手工设计，它不仅可以使版图
标准准确整洁，而且能够解决手工布线印刷导线不能过细和较窄的间隙不易布线等问题，同时可彻底解决双面板焊盘严格的一一对应问题。
第二节电子电路的织装、调试与总结
1．元器件的焊接妓木
当印刷电路板设计好后，需要将元器件焊接在印刷扳上。
焊接质量取决以下四个条件：
焊接工具、焊料、焊剂、焊接技术。
（1）焊接工具。
电烙铁是焊接的主要工具，直接影响着焊接质量。
要根据不同的焊接对象选择不同功率的电烙铁。
焊接集成电路一般可选用25w的，元器件管脚较粗或印刷板焊盘面积较大时可选用45W或功率更大的。
焊接CMOS电路一般选用20W内热式电烙铁，而且
外壳要连接良好的地线。
若用外热式电烙铁，最好采用烙铁断电，用余热焊接，必要时还
要采取人体接地的措施。
（2）焊料。
常用的焊料是焊锡，焊锡是一种铅锡合金。
市场上销售的焊锡丝有两种：
一种是将焊锡做成管状，管内填有松香，称松香焊锡丝．使用这种焊锡丝时．可以不加助焊剂，另一种是无松香的焊锡丝，焊接时应加助焊剂。
（3）焊剂。
焊接元器件通常使用的焊剂有松香和松香酒精溶液，后者比前者焊接效果好
（4）焊接技术。
首先要求焊接牢同、无虚焊，其次是焊点的大小、形状及表面粗糙度等。
焊接前，必须把焊点和焊件表面处理干净，轻的用酒精擦洗，重的要用刀刮或砂纸磨，直
到露出光亮金属后再蘸上焊剂，镀上锡，将被烽的金属表面加热到焊锡熔化的湿度。
焊接过
提足这样的：
把烙铁头放在焊什上，待焊什的温度达到焊锡熔化的温度时，位焊锡丝接触焊
什．当适量的焊锡丝熔化后，立即档开焊锡丝，再移开烙铁，整个过程只需几秒钟。
二、电子电路的调试
通常有以下两种调试电路的方法：
第一种是采用边文安装边凋试的方法。
把一个总电路框图上的功能分成若干单元电路，
分别进行安装和调试，在完成各单元电路调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完
成整机调试，对于新设计的电路，此方法既便于调试，又可及时发现和解决问题。
该方法适
于课程设计中采用。
第二种方法是整个电路安装完毕，实行一次性调试。
这种方法适于定型产品。
一般调试步骤如下：
1．通电前检查
电路安装完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，器件引脚之间有无短路，器件有无安错。
2．通电检查
接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。
如果山现异常现象，则应立即关断电源，持排除故障后方可重新通电。
3．单元电路调试
在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标和观察波形。
调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输山信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联凋创造条件。
电路调试包括静态和动态调试，通过调试掌握必要的数据、波形、
现象，然后对电路达行分析、判断、排除故障，完成调试要求。
4．整机联调
各单元电路调试完成后就为整机调试打下了基础。
整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系，主要观察动态结果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施。
电路故障的排除可以按下述8种方法进行：
（1）信号寻迹法。
寻找电路故障时，一般可以按信号的流程逐级进行。
从电路的输入端加入适当的信号，用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内各部分传输的情况，根据电路的工作原理分析电路的功能是否正常，如果有问题，应及时处理。
调试电路时也可以从输比出向输入级倒推进行，信号从最后一级电路的输入端加入，观察输出端是否正常，然后逐级将适当信号加入前面一级电路输入端，继续进行检查。
（2）对分法。
把有故障的电路分为两部分，先检测这两部分中究竟是那部分有故降，然后在对有故障的部分对分检测，一直到找出故降为止。
采用“对分法”可减少调试工作量。
（3）分别测试法。
对于一些有反馈的环形电路，如振荡器、稳压器等电路。
它们各级的工作情况相有牵连，这时可采取分割环路的方法，将反馈环去掉，然后逐级检查，可更快
地查出故障部分。
对自激振荡现象也可以用此法检查。
（4）电容器旁路法。
如遇电路发生自激振荡或寄生调幅等故障，检测时可用一只容量较大的电容器并联到故障电路的输入或输出端，观察对故障现象的影响，据此分析故障的部位。
在放大电路中，旁路电容失效或开路，使负反馈加强，输出量下降，此时用适当的电容并联在旁路电容两端，就可以看到输出幅度恢复正常，也就可以断定旁路电容的问题。
这种检查可能要多处试验才有结果，这时要细心分析可能引起故障的原因。
这种方法也可用来检查电源滤波和去耦电路的故障。
（5）对比法。
将有问题的电路的状态、参数与相同的正常电路进行逐项对比。
此方法可以比较快地从异常的参数分析出故障。
（6）替代法。
把己调试好的单元电路代替有故障或有问题的相同的单元电路（注意共地），这样可以很快判断故障部位。
有时元器件的故障不很明显，如电容器漏电、电阻器变质、晶体管和集成电路性能下降等，这时用相同规格的优质元器件逐一替代实验，就可以具体地判断故障点、加快查找故障点的速度，提高调试效率。
（7）静态测试法。
故障部位找到后，要确定是那—个或哪几个元器件有问题，常用的
就是静态测试法和动态测试法。
静态测试是用万用表测试电阻值、电容器是否漏电、电路是否断路或短路，晶体管和集成电路的引脚电压是否正常等。
这种测试是在电路不加信号时进行的，所以叫静态测试。
通过这种测试可发现元器件的故障。
（8）动态测试法。
当静态测试还不能发现故障时，可采用动态测试法。
测试时在电路输入端加上适当的信号再测试元器件的工作情况，观察电路的工作状况，分析、判别故障原因。
三、总结报告
（1）课题名称
（2）内容摘要
（3）设计内容及要求。
（4）比较和选定设计的系统方案，画山系统框图。
（5）单元电路设计、参数计算和元器件选择。
（6）画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。
（7）组装调试的内容。
包括：
①使用的主要仪器和仪表；
②调试电路的方法和技巧；
⑦测试的数据和波形并与计算结果比较分析：
④调试中山现的故障、原因及排除方法。
（8）总结设计电路和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提山改进意见和展望
（9）列出系统需要的元器件。
基于DSP的DTMF编解码器
什么是DTMF
DTMF（Dual-ToneMulti-Frequency）信令是由美国贝尔实验室开发的现代按键式电话机普遍使用的拨号信令。
DTMF信令由8个频率组成,其中4个行频、4个列频。
每个按键唯一地由一组行频和列频组成,如图所示。
其中12个按键是我们比较熟悉的按键,另外由第4列确定的按键作为保留,为今后他用。
其中1209HZ1336HZ1477HZ1633HZ为高频群697HZ770HZ852HZ941HZ为低频群。
DTMF编码
编码就是将按键转换成对应的两个正弦信号发送出去,
产生DTMF编码
DTMF双音多频信号的编码采用如下图的2阶正弦波数字振荡器。
采用可编程的正弦波数字振荡器可以通过更改振荡器的参数产生所需的8个频率。
这样仅需要两个数字振荡器（分别用于产生行频和列频）就可以产生所需的8个频率
该数字滤波器的系统传递函数是：
其中
这个系统传递函数对应的时域差分方程是
选取初值
就可以避免输出脉冲
为输出正弦波的幅度。
是要产生的频率，
是采样频率。
设计输出DTMF持续时间为50ms,采样频率
即400个采样点
根据CCITT规定,DTMF信令每秒最多10个数字,也就是周期为100ms,其中DTMF信号的持续时间不少于45ms,不大于55ms其余时间为静音信号,用以区别两个DTMF信号。
在每次输出新的DTMF信号之前,要先初始化行频和列频的参数变量
DTMF解码
解码是对收到的音频信号进行检测分析有效频率组合的存在性,并将其转换成对应的按键或数字信息。
DTMF的解码主要完成对有效行列频率的检测以及对按键的判决。
在检测DTMF信号时,不但要检测出DTMF的基波信息,而且还要考虑其二次谐波的信息。
贝尔试验室所特意选定的这8个频率,只在基波有较高的能量;而在相同的基波上有较高能量的话音信号在其二次谐波上也叠加有较高的能量。
因此检测二次谐波的作用就是区别DTMF信号和话音信号。
采用FFT计算采样数据判断行列频率及相应的按键
DTMF信号接收和发生系统的硬件设计
由DTMF编解码可知DTMF信号发生接收的硬件应该有AD和DA及DSP器件系统框图如下：
人机接口单元
人机接口完成外界信息的输入和识别的DTMF信令和发生的DTMF信令的显示主要由按键和LCM141液晶显示器组成电路图如下：
DTMF接收单元
DTMF接收单元接收来至电话线的DTMF信号并且在DSP的控制下把它转换成数字信号送到DSP单元进行处理主要由桥式整流电路和AD组成电路如下图：
DTMF发生单元
DTMF发生单元根据DSP送来的数据产生相应的DTMF信号。
主要由DA和运放电路组成电路如下图：
DSP单元
DSP单元主要有CPLDxc95144和TMS320VC5402电源芯片TPS767D318程序存储器SST39LF400数据存储器IS61LV25616AL组成。
（1）电源电路TMS320VC5402正常工作需要两个电压一个是1.8V的核电压，另一个是3.3V的IO电压并且加电压的顺序和DSP复位的都要有一定的先后顺序TI公司的TPS767D318满足DSP对电压值和上电复位的要求采用其设计的电源和复位电路如下图：
（2）外扩程序存储器和数据存储器。
5402有片内RAM但是数量有限同时RAM掉电数据就没了为了能满足大数据量，以及掉电数据和程序不丢需要外扩程序数据存储器选定的FLASHSST39LF400做程序存储器RAMIS61LV25616AL做数据存储器。
查阅TMS320VC5402的手册可知它的读写时序如下图
FLASHSST39LF400的读时序
FLASHSST39LF400的写时序
比较TMS320VC5402和SST39LF400可知它们的读写时序不同因此不能直接把两个芯片的对应管脚直接接起来需要有一个逻辑电路完成两个芯片之间的时序变换同时从它们的读写时序图可知只要对控制引脚进行时序变换即可也为了扩展AD和D/A以及键盘显示的需要采用CPLDXC95144做时序变换电路采用CPLD的好处是可以硬件编程使用灵活。
具体接线是把SST39LF400和IS61LV25616AL的数据线接到5402的数据线上；把这两个芯片的控制线接到XC95144上然后把5402的程序扩展的控制线也接到XC95144上然后通过编写VHDL程序完成控制线时序的变换。
（3）5402时钟电路
（4）5402仿真接口电路
XC95144时钟电路
XC95144数据下载接口
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