基于計(jì)數(shù)溢出置位及比較相等清零方法的脈沖寬度調(diào)制器

張磊 楊小慶

摘?要：通用脈沖寬度調(diào)制器是通過(guò)控制波形發(fā)生器產(chǎn)生的一種狀態(tài)可變的調(diào)制波形，其輸出信號(hào)的特征通常是保持脈沖信號(hào)的頻率不變，而占空比隨著脈沖發(fā)生器設(shè)定值的變化而變化。是對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種常用技術(shù)，以達(dá)到節(jié)能高效的目的，常用在直流電機(jī)調(diào)速和顯示系統(tǒng)背光亮度調(diào)節(jié)的領(lǐng)域中。本文設(shè)計(jì)了一種脈沖寬度調(diào)制器，其工作原理是系統(tǒng)的設(shè)定值與計(jì)數(shù)器的輸出值進(jìn)行對(duì)比，二者相等時(shí)讓輸出電路清零，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，讓輸出電路置位，從而控制輸出電平的變化，實(shí)現(xiàn)輸出脈沖調(diào)制的功能，而輸出信號(hào)占空比的大小由系統(tǒng)設(shè)定值決定。

關(guān)鍵詞：數(shù)值比較;計(jì)數(shù)溢出置位;比較相等清零;占空比調(diào)節(jié)

1?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

脈沖寬度調(diào)制器系統(tǒng)主要由8個(gè)部分組成，分別是主計(jì)數(shù)器、設(shè)定值寄存器、寫(xiě)設(shè)定值控制電路、數(shù)值比較電路、邏輯運(yùn)算電路、電平保持電路、極性控制電路和輸出電平控制電路組成。

主計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)值的改變。在每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘CLK上升沿來(lái)臨的時(shí)刻，主計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1操作并輸出該計(jì)數(shù)的數(shù)值。當(dāng)主計(jì)數(shù)器所有的計(jì)數(shù)值輸出引腳全是1的時(shí)刻，即輸出的計(jì)數(shù)值達(dá)到最大值，其溢出指示引腳HCO被置1，在隨后脈沖上升沿的作用下，計(jì)數(shù)值再次加1，主計(jì)數(shù)器輸出全為0，此時(shí)溢出指示引腳HCO被置0，HCO由0變到1再變成0，產(chǎn)生這個(gè)持續(xù)時(shí)間為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的尖峰脈沖即是其中一個(gè)輸出脈沖翻轉(zhuǎn)控制信號(hào)。

寫(xiě)設(shè)定值控制電路負(fù)責(zé)控制寫(xiě)入設(shè)定值寄存器中的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)值比較電路中進(jìn)行比較，輸出兩個(gè)數(shù)據(jù)大小的控制信號(hào)。在寫(xiě)設(shè)定值控制電路中，主要完成輸入基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的范圍限定和將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入設(shè)定值寄存器的時(shí)機(jī)控制。

邏輯運(yùn)算電路對(duì)數(shù)值比較電路和計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生最終調(diào)制信號(hào)的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)控制信號(hào)。狀態(tài)翻轉(zhuǎn)控制信號(hào)包括比較相等時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)和計(jì)數(shù)器溢出時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)。電平保持電路在狀態(tài)翻轉(zhuǎn)控制信號(hào)的作用下不斷對(duì)輸出電平進(jìn)行取反，依據(jù)比較相等時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)和計(jì)數(shù)器溢出時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)之間的時(shí)間差，便控制輸出信號(hào)高電平的持續(xù)時(shí)間。

由于邏輯運(yùn)算電路輸出的結(jié)果可能混有毛刺和干擾信號(hào)，在送到電平保持電路之前，需對(duì)可能存在的干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽處理。由于計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)是在時(shí)鐘的上升沿時(shí)改變，則毛刺信號(hào)會(huì)伴隨著計(jì)數(shù)器輸出數(shù)據(jù)的改變而產(chǎn)生，因此需增加電路控制信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)刻，來(lái)避免毛刺信號(hào)輸入到電平保持電路中。

2?系統(tǒng)工作原理

主計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘信號(hào)CLK信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，每個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行加1操作，每次加1操作后，與設(shè)定寄存器中保存的設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)二者相等時(shí)，數(shù)值比較器輸出持續(xù)時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期的高電平信號(hào)。當(dāng)主計(jì)數(shù)器達(dá)到溢出狀態(tài)時(shí)，其HCO引腳輸出持續(xù)時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平溢出信號(hào)，將該信號(hào)與數(shù)值比較器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算電路后，便產(chǎn)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的控制信號(hào)。系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2中，中間的方波波形是實(shí)際對(duì)外輸出的經(jīng)過(guò)調(diào)制后的波形，輸出脈沖上升沿對(duì)應(yīng)的下方的尖峰脈沖由計(jì)數(shù)器溢出后產(chǎn)生的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)控制信號(hào)，該信號(hào)持續(xù)時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期。輸出脈沖下降沿對(duì)應(yīng)的下方的尖峰脈沖由設(shè)定值寄存器的數(shù)值和計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)值相等時(shí)，數(shù)值比較器輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)控制信號(hào)，該信號(hào)持續(xù)時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期。兩個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)控制信號(hào)均由邏輯運(yùn)算電路輸出，在設(shè)定值寄存器里的數(shù)值不是很接近0或不是很接近計(jì)數(shù)器的最大值時(shí)，二者發(fā)生在不同的時(shí)刻，不會(huì)產(chǎn)生沖突。

邏輯運(yùn)算輸出兩個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)信號(hào)給電平保持電路，電平保持電路由一個(gè)上升沿D觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻電路組成，該D觸發(fā)器的反相輸出端接自身的數(shù)據(jù)輸入端，因此，在其CLK引腳輸入的每個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)信號(hào)的作用時(shí)刻，D觸發(fā)器的輸出端Q不斷對(duì)上一個(gè)狀態(tài)的輸出電平進(jìn)行取反，在CLK引腳的低電平期間，D觸發(fā)器輸出電平保持不變，從而實(shí)現(xiàn)最終的脈沖輸出。

由于觸發(fā)D觸發(fā)器輸出狀態(tài)發(fā)生改變的是兩個(gè)尖峰脈沖，尖峰脈沖半周期高電平的持續(xù)時(shí)間比較短，在忽略內(nèi)部電路延時(shí)的情況，尖峰脈沖高電平的持續(xù)時(shí)間基本等于系統(tǒng)時(shí)鐘高電平的時(shí)間，而D觸發(fā)器在上升沿觸發(fā)信號(hào)的作用下輸出輸入端所加的電平信號(hào)時(shí)，對(duì)觸發(fā)脈沖的建立時(shí)間和保持時(shí)間是有要求的，因此，選用系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際器件的建立時(shí)間和保持時(shí)間，避免因?yàn)闀r(shí)間要求的問(wèn)題導(dǎo)致電路運(yùn)行失敗。

當(dāng)設(shè)定值寄存器中的數(shù)據(jù)增加時(shí)，輸出脈沖的占空比也隨之增加，此時(shí)稱(chēng)輸出的調(diào)制脈沖的極性為正極性。當(dāng)設(shè)定值寄存器中的數(shù)據(jù)增加時(shí)，輸出脈沖的占空比隨之減少，此時(shí)稱(chēng)輸出的調(diào)制脈沖的極性為負(fù)極性。正常工作時(shí)，系統(tǒng)輸出正極性脈沖，但在某些特殊場(chǎng)合，需要脈沖寬度調(diào)制器隨著設(shè)定值寄存器中的數(shù)據(jù)增加，輸出脈沖的占空比減少，為增強(qiáng)該系統(tǒng)的適用場(chǎng)合，特增加極性反轉(zhuǎn)電路滿足該要求。

通常實(shí)現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)的方法是主計(jì)數(shù)器輸出值和設(shè)定值寄存器的數(shù)值相等時(shí)，讓輸出脈沖置位，在主計(jì)數(shù)器溢出時(shí)讓輸出脈沖復(fù)位，其工作過(guò)程和正極性的工作過(guò)程完全一樣，只是在兩個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻，輸出脈沖電平和正極性輸出的電平狀態(tài)相反?？紤]到在實(shí)際應(yīng)用中，如果在一個(gè)脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)里集成兩個(gè)這樣的獨(dú)立系統(tǒng)，既增加了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度，又使系統(tǒng)的功耗上升，且成本增加，分析其實(shí)現(xiàn)的原理后，直接在輸出脈沖端對(duì)正極性輸出的脈沖進(jìn)行取反，便實(shí)現(xiàn)了負(fù)極性脈沖的輸出。對(duì)兩路脈沖通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行控制，便可依據(jù)實(shí)際的需要，選擇相應(yīng)正極性或負(fù)極性的脈沖輸出。而數(shù)據(jù)選擇器的選擇端可以做成控制信號(hào)，也可以設(shè)置成單片機(jī)內(nèi)部寄存器中的某一個(gè)位進(jìn)行編程控制。

對(duì)于某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，諸如像直流電機(jī)調(diào)速的場(chǎng)合，在確保電動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，其使能控制引腳應(yīng)處于無(wú)效的狀態(tài)，否則容易引發(fā)安全事故。當(dāng)脈沖寬度調(diào)制器不工作時(shí)，需要輸出一個(gè)不使能的電平，以確保其控制的電路不能工作，保證生產(chǎn)過(guò)程安全可靠。輸出電平控制電路在檢測(cè)到系統(tǒng)不使能信號(hào)有效時(shí)，輸出該不使能的電平信號(hào)。該信號(hào)應(yīng)在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行前寫(xiě)入到專(zhuān)用的寄存器位中。

不同廠家生產(chǎn)的電氣驅(qū)動(dòng)器使能控制信號(hào)電平不一定相同，為增加該系統(tǒng)的適用場(chǎng)合，在硬件電路上設(shè)置一個(gè)寄存器控制位，該位的狀態(tài)決定了當(dāng)系統(tǒng)處于不使能的狀態(tài)時(shí)，可設(shè)置調(diào)制脈沖輸出引腳的電平，從而適配所有的電氣驅(qū)動(dòng)器。該信號(hào)應(yīng)在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行前寫(xiě)入到專(zhuān)用的寄存器位中。

3?寫(xiě)設(shè)定值控制電路

寫(xiě)設(shè)定值控制電路主要是控制寫(xiě)入設(shè)定值寄存器數(shù)值的時(shí)刻和限制該數(shù)值的范圍。主計(jì)數(shù)器在正常工作時(shí)都在與設(shè)定值寄存器中的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如果沒(méi)有限定寫(xiě)入設(shè)定值寄存器的時(shí)刻，突然的數(shù)據(jù)寫(xiě)入，后導(dǎo)致數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)劇烈波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致脈沖調(diào)制器輸出信號(hào)發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，輸出信號(hào)完全錯(cuò)亂。為將影響降低到最小，在主計(jì)數(shù)器達(dá)到溢出的時(shí)刻才將數(shù)據(jù)寫(xiě)入設(shè)定值寄存器中。實(shí)際電路中，寫(xiě)入的時(shí)刻是隨機(jī)的，但寫(xiě)入的數(shù)據(jù)會(huì)存到內(nèi)部的一級(jí)緩存中，一級(jí)緩存將數(shù)據(jù)加載到二級(jí)緩存的輸入端，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到溢出的時(shí)刻，接通二級(jí)緩存的輸入和輸出，此時(shí)將設(shè)定值寫(xiě)入到設(shè)定值寄存器中。

脈沖寬度調(diào)制器輸出信號(hào)的不斷變化是由狀態(tài)翻轉(zhuǎn)控制信號(hào)觸發(fā)的，但設(shè)定值寄存器中的數(shù)值如果太靠近0值和最大值時(shí)，兩個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)信號(hào)會(huì)間隔很近，時(shí)間很短，太短的時(shí)間不滿足D觸發(fā)器時(shí)鐘引腳對(duì)時(shí)鐘信號(hào)建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求，會(huì)把兩個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)尖峰信號(hào)識(shí)別成一個(gè)信號(hào)，導(dǎo)致電平保持電路不能及時(shí)完成輸出信號(hào)狀態(tài)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出信號(hào)極性的變化或輸出信號(hào)頻率的改變，也會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)完全錯(cuò)亂的情況，因此，在寫(xiě)設(shè)定值控制電路還增加了限幅電路了，當(dāng)數(shù)值小于最小閾值的時(shí)候把數(shù)值限定在能正常工作的一個(gè)最小值上，當(dāng)數(shù)值很接近主計(jì)數(shù)器的最大值時(shí)，限定在小于最大值的某個(gè)閾值上，從而避免該情況發(fā)生。

4?結(jié)語(yǔ)

本文詳述了一種脈沖寬度調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方法，除實(shí)現(xiàn)基本的輸出脈沖調(diào)制功能外，還增加了極性控制電路和輸出電平控制電路，極大地增加了系統(tǒng)的適用場(chǎng)合。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上對(duì)細(xì)節(jié)電路進(jìn)行優(yōu)化，保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定與可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]李永敏.檢測(cè)儀器電子電路[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994.