多種頻段PWM信號產(chǎn)生電路設計詳解

　　本文設計并制作了一種便于模擬汽車(chē)電磁閥實(shí)際工作狀態(tài)的電源。根據電磁閥在汽車(chē)中的工作要求，對電磁閥在各種工作狀態(tài)下的質(zhì)量要求進(jìn)行模擬測試。同時(shí)解決測試出口電磁閥產(chǎn)品性能指標的難題，為我國電磁閥的出口產(chǎn)品提供必要的技術(shù)性能測試設備。電磁閥在現代汽車(chē)中應用十分廣泛，電磁閥的性能與汽車(chē)的性能緊密相關(guān)。施加到電磁閥的電源在實(shí)際工作時(shí)的狀態(tài)是異常復雜的，主要表現在電磁閥電源的電壓幅度、頻率、占空比的復雜性和隨機性。為了保證電磁閥出廠(chǎng)的質(zhì)量，本文設計并制作了一種便于模擬汽車(chē)電磁閥實(shí)際工作狀態(tài)的電源。根據電磁閥在汽車(chē)中的工作要求，對電磁閥在各種工作狀態(tài)下的質(zhì)量要求進(jìn)行模擬測試。同時(shí)解決測試出口電磁閥產(chǎn)品性能指標的難題，為我國電磁閥的出口產(chǎn)品提供必要的技術(shù)性能測試設備。

　　系統結構與工作原理

　　如圖1所示，整個(gè)系統包括單片機、I／O擴展電路、D／A轉換電路、PWM產(chǎn)生電路、頻率選擇電路、光電隔離和驅動(dòng)電路及鍵盤(pán)和顯示電路。系統以單片機為控制中心，采用DDS芯片AD9851和PWM控制芯片SG3525為波形發(fā)生設備，采用8255A擴展單片機外圍接口作為三路D／A轉換電路數據輸入口，三路模擬電壓分別用于控制頻率、占空比和幅度。通過(guò)單片機處理數據控制波形發(fā)生設備輸出信號的頻率和占空比，再通過(guò)后級的頻率選擇電路和光耦隔離與驅動(dòng)電路，實(shí)現輸出頻率、占空比和幅度可調的PWM信號。此外，人機接口采用鍵盤(pán)和LCD顯示，通過(guò)RS 232串口進(jìn)行通信后，由PC機實(shí)現。

　　信號產(chǎn)生與控制電路

　　系統要求產(chǎn)生頻率在O～25 000 Hz之間占空比可調的PWM信號，采用PWM控制芯片SG3525可以很方便地產(chǎn)生頻率和占空比獨立可調的PWM信號，但由于SG3525在150 Hz以下頻率極不穩定，因此需要將信號分為兩個(gè)頻率段進(jìn)行設計，其中低頻段為O～200 Hz，采用AD9851作為信號發(fā)生器，高頻段為200～25 000 Hz，采用SG3525作為信號發(fā)生器。

　　低頻段PWM信號產(chǎn)生電路

　　AD9851 是高集成度的直接數字頻率合成器，該器件頻帶寬、頻率與相位均可控。其主要組成為：相位累加器、相位相加器、波形存儲器、數字相乘器和D／A 轉換器?；竟ぷ鳛椋涸诓蓸訒r(shí)鐘信號的控制下，通過(guò)由頻率碼控制的相位累加器輸出相位碼，將存儲于只讀存儲器中的波形量化采樣數據值按一定的規律讀出，經(jīng) D／A轉換和低通濾波后輸出正弦信號。

　　低頻段信號產(chǎn)生電路如圖2所示，設計電路中，AD9851外接30 MHz有源晶振作為參考頻率源。單片機與AD9851采用高速并行接口工作方式，以AT89C55的引腳P1．0～P1．7作為AD9851的并行數據輸入端口，P2．O，P2．1，P2．2作為I／O口輸出數據對AD9851的RESET，FQ_UD，W_CLK進(jìn)行控制。AD9851輸出頻率可變的方波送到單片機外部中斷INT0，P2．3為低頻PWM信號輸出端口。單片機具體輸入方式為：有效復位信號RESET使輸入數據地址指針指向第1個(gè)輸入寄存器，W_CLK上升沿寫(xiě)入第1組8位數據，指針指向下一個(gè)輸入寄存器。連續5個(gè)W_CLK上升沿完成全部40位控制數據的輸入。此后WCLK信號上升沿無(wú)效。FQ_UD上升沿到來(lái)時(shí)這40位控制數據由輸入寄存器寫(xiě)入頻率，相位控制寄存器，更新輸出頻率和相位，同時(shí)把地址指針復位到第1個(gè)輸入寄存器，等待下一組新數據的寫(xiě)入。

　　AD9851 首先通過(guò)IOUT引輸出頻譜純凈的正弦信號，輸出經(jīng)外部無(wú)源低通濾波后，由引腳VINP進(jìn)入AD9851內部高速比較器，最后由引腳 VOUTN輸出得到穩定性很好的方波。將方波引入單片機外部中斷引腳，中斷設置為下降沿觸發(fā)，將單片機端口P2．3設置為低頻PWM信號輸出端。如圖3所示，P2．3口輸出頻率與INT0一致，占空比可調的矩形波。

　　具體控制占空比過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C進(jìn)入外部中斷之后，將P2．3置高電平，延時(shí)一段時(shí)間t，再將P2．3置低電平。這樣P2．3口就輸出占空比q％=t／T的矩形波，通過(guò)改變延時(shí)t就能改變占空比，延時(shí)函數如下：?jiǎn)纹瑱C晶振為12 MHz時(shí)，此函數延時(shí)8c μs，假設AD9851輸出頻率為f的方波送給INT0。由于本設計低頻率段在0～200 Hz范圍內，AD9851送給外部中斷引腳的方波周期比較大，因此采用上述方法可以比較精確地控制q在O～100內變化，輸出比較理想的頻率占空比獨立可調的低頻PWM信號。

　　高頻段PWM信號產(chǎn)生電路

　　SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全、通用性強的單片集成脈寬調制控制器，由于它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了控制電路的設計及調試。因此選擇SG3525作為本設計的高頻PWM信號發(fā)生器，產(chǎn)生200～25 000 Hz的PWM信號。高頻段PWM信號產(chǎn)生電路如圖4所示。單片機通過(guò)兩路D／A轉換之后產(chǎn)生兩個(gè)模擬電壓信號，分別用于控制SG3525的占空比和頻率。通過(guò)控制調頻三級管 Q1的基極電壓Ub來(lái)調節SG3525的2腳Non上的電流大小，達到控制SG3525輸出PWM頻率的目的。通過(guò)改變控制三級管Q2的基極電壓Ub來(lái)調節SG3525的6腳RT上的電流大小，達到控制SG3525輸出PWM占空比的目的。本設計中把SG3525的11腳、14腳與12腳接地，讓PWM脈沖由13腳VC輸出，這樣既保證了13腳的輸出與鎖存器的輸出一致，而且又輸出頻率占空比獨立可調PWM信號。此外，由于輸出頻率和占空比分別與控制它們的兩路模擬電壓信號為線(xiàn)性關(guān)系，所以軟件實(shí)現也很方便。

　　頻率選擇電路

　　需要將低頻段與高頻段PWM信號結合才能得到完整頻率段PWM信號，因此需要進(jìn)行頻率選擇，本系統的頻率選擇電路如圖5所示。首先將兩路 PWM信號分別轉換為標準TTL電平，低頻段PWM信號通過(guò)74LS00和上拉電阻即可實(shí)現TTL電平，在高頻段由于SG3525輸出幅值為12 V，因此需要5 V穩壓管降低幅值，再由74LS00和上拉電阻輸出TTL電平。通過(guò)單片機控制單片集成模擬開(kāi)關(guān)MAX318來(lái)實(shí)現頻率的選擇，這里選用常開(kāi)腳NO作為開(kāi)關(guān)的輸入，公用端COM作為輸出信號。通過(guò)IN腳的真值來(lái)切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)，分別通過(guò)單片機I／O端口P2．3和P2．4控制，當IN邏輯真值為0時(shí)，斷開(kāi) NO端，當邏輯真值為1時(shí)，導通N0端。同一時(shí)刻只能有一個(gè)芯片的IN腳為高電平，另一個(gè)必須為低電平，否則會(huì )使兩路信號發(fā)生串擾。

　　光耦隔離與驅動(dòng)電路

　　PWM 控制電路與驅動(dòng)電路之間需要進(jìn)行電氣隔離，以消除主電路對信號發(fā)生電路的干擾。PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生的PWM信號電流太小，不能直接驅動(dòng)功率放大管，而且無(wú)法調整輸出PWM電源輸出的幅度，由此設計了光耦隔離與驅動(dòng)電路。電路如圖6所示，PWM作為整個(gè)電路的控制信號，經(jīng)過(guò)光耦隔離放大后再由兩級開(kāi)關(guān)三極管來(lái)控制主電路的通斷，在電磁閥上產(chǎn)生頻率和占空比可變的PWM脈沖信號，同時(shí)單片機通過(guò)D／A轉換產(chǎn)生一路可變的模擬電壓信號，該信號經(jīng)過(guò)電壓負反饋電路以穩定輸出電壓幅度，再通過(guò)連續幾級射級跟隨器以增大輸入電流以驅動(dòng)功率管，通過(guò)改變輸入電壓就可以改變施加在電磁閥上的PWM電壓幅度，實(shí)現幅度在 0～36 V之間任意設置。

　　設計的用于模擬汽車(chē)電磁閥工作狀態(tài)的PWM電源，通過(guò)矩陣鍵盤(pán)和LCD實(shí)現人機對話(huà)，通過(guò)單片機處理數據來(lái)控制PWM波的頻率、占空比和幅度，所有對電源要求的數據都可以通過(guò)鍵盤(pán)傳送給單片機，并且通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示。單片機產(chǎn)生的控制信號來(lái)模擬電磁閥的實(shí)際工作狀態(tài)，可以對汽車(chē)電磁閥在各種工作狀態(tài)下的質(zhì)量要求進(jìn)行檢測，保障電磁閥出廠(chǎng)前的質(zhì)量。該電源運行穩定、精度高，目前已成功應用到汽車(chē)電磁閥的生產(chǎn)企業(yè)，為企業(yè)創(chuàng )造了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益，為我國電磁閥的出口做出了貢獻。