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電磁閥實際工作狀態(tài)的電源。根據(jù)電磁閥在汽車中的工作要求，對電磁閥在各種工作狀態(tài)下的質(zhì)量要求進行模擬測試。同時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(xiàn)代汽車中應用十分廣泛，電磁閥的性能與汽車的性能緊密相關(guān)。施加到電磁閥的電源在實際工作時的狀態(tài)是異常復雜的，主要表現(xiàn)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的質(zhì)量，本文設計并制作了一種便于模擬汽車電磁閥實際工作狀態(tài)的電源。根據(jù)電磁閥在汽車中的工作要求，對電磁閥在各種工作狀態(tài)下的質(zhì)量要求進行模擬測試。同時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(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

　　如圖1所示，整個系統(tǒng)包括單片機、I／O擴展電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、PWM產(chǎn)生電路、頻率選擇電路、光電隔離和驅(qū)動電路及鍵盤和顯示電路。系統(tǒng)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(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)輸入口，三路模擬電壓分別用于控制頻率、占空比和幅度。通過單片機處理數(shù)據(jù)控制波形發(fā)生設備輸出信號的頻率和占空比，再通過后級的頻率選擇電路和光耦隔離與驅(qū)動電路，實現(xiàn)輸出頻率、占空比和幅度可調(diào)的PWM信號。此外，人機接口采用鍵盤和LCD顯示，通過RS 232串口進行通信后，由PC機實現(xiàn)。

　　信號產(chǎn)生與控制電路

　　系統(tǒng)要求產(chǎn)生頻率在O～25 000 Hz之間占空比可調(diào)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(diào)的PWM信號，但由于SG3525在150 Hz以下頻率極不穩(wěn)定，因此需要將信號分為兩個頻率段進行設計，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(shù)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(shù)字相乘器和D／A 轉(zhuǎn)換器?；竟ぷ鳛椋涸诓蓸訒r鐘信號的控制下，通過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(shù)據(jù)值按一定的規(guī)律讀出，經(jīng) D／A轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)輸入端口，P2．O，P2．1，P2．2作為I／O口輸出數(shù)據(jù)對AD9851的RESET，F(xiàn)Q_UD，W_CLK進行控制。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(shù)據(jù)地址指針指向第1個輸入寄存器，W_CLK上升沿寫入第1組8位數(shù)據(jù)，指針指向下一個輸入寄存器。連續(xù)5個W_CLK上升沿完成全部40位控制數(shù)據(jù)的輸入。此后WCLK信號上升沿無效。FQ_UD上升沿到來時這40位控制數(shù)據(jù)由輸入寄存器寫入頻率，相位控制寄存器，更新輸出頻率和相位，同時把地址指針復位到第1個輸入寄存器，等待下一組新數(shù)據(jù)的寫入。

　　AD9851 首先通過IOUT引輸出頻譜純凈的正弦信號，輸出經(jīng)外部無源低通濾波后，由引腳VINP進入AD9851內(nèi)部高速比較器，最后由引腳 VOUTN輸出得到穩(wěn)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(diào)的矩形波。

　　具體控制占空比過程如下：單片機進入外部中斷之后，將P2．3置高電平，延時一段時間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，通過改變延時t就能改變占空比，延時函數(shù)如下：單片機晶振為12 MHz時，此函數(shù)延時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(nèi)，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(nèi)變化，輸出比較理想的頻率占空比獨立可調(diào)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(diào)制控制器，由于它簡單可靠及使用方便靈活，大大簡化了控制電路的設計及調(diào)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。單片機通過兩路D／A轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生兩個模擬電壓信號，分別用于控制SG3525的占空比和頻率。通過控制調(diào)頻三級管 Q1的基極電壓Ub來調(diào)節(jié)SG3525的2腳Non上的電流大小，達到控制SG3525輸出PWM頻率的目的。通過改變控制三級管Q2的基極電壓Ub來調(diào)節(jié)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(diào)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性關(guān)系，所以軟件實現(xiàn)也很方便。

　　頻率選擇電路

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

　　光耦隔離與驅(qū)動電路

　　PWM 控制電路與驅(qū)動電路之間需要進行電氣隔離，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(qū)動功率放大管，而且無法調(diào)整輸出PWM電源輸出的幅度，由此設計了光耦隔離與驅(qū)動電路。電路如圖6所示，PWM作為整個電路的控制信號，經(jīng)過光耦隔離放大后再由兩級開關(guān)三極管來控制主電路的通斷，在電磁閥上產(chǎn)生頻率和占空比可變的PWM脈沖信號，同時單片機通過D／A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一路可變的模擬電壓信號，該信號經(jīng)過電壓負反饋電路以穩(wěn)定輸出電壓幅度，再通過連續(xù)幾級射級跟隨器以增大輸入電流以驅(qū)動功率管，通過改變輸入電壓就可以改變施加在電磁閥上的PWM電壓幅度，實現(xiàn)幅度在 0～36 V之間任意設置。

　　設計的用于模擬汽車電磁閥工作狀態(tài)的PWM電源，通過矩陣鍵盤和LCD實現(xiàn)人機對話，通過單片機處理數(shù)據(jù)來控制PWM波的頻率、占空比和幅度，所有對電源要求的數(shù)據(jù)都可以通過鍵盤傳送給單片機，并且通過LCD實時顯示。單片機產(chǎn)生的控制信號來模擬電磁閥的實際工作狀態(tài)，可以對汽車電磁閥在各種工作狀態(tài)下的質(zhì)量要求進行檢測，保障電磁閥出廠前的質(zhì)量。該電源運行穩(wěn)定、精度高，目前已成功應用到汽車電磁閥的生產(chǎn)企業(yè)，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益，為我國電磁閥的出口做出了貢獻。