多種頻段PWM信號產生電路設計詳解

　本文設計並製作了一種便於模擬汽車電磁閥實際工作狀態的電源。根據電磁閥在汽車中的工作要求，對電磁閥在各種工作狀態下的質量要求進行模擬測試。同時解決測試出口電磁閥產品性能指標的難題，為我國電磁閥的出口產品提供必要的技術性能測試設備。電磁閥在現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。施加到電磁閥的電源在實際工作時的狀態是異常複雜的，主要表現在電磁閥電源的電壓幅度、頻率、占空比的複雜性和隨機性。為了保證電磁閥出廠的質量，本文設計並製作了一種便於模擬汽車電磁閥實際工作狀態的電源。根據電磁閥在汽車中的工作要求，對電磁閥在各種工作狀態下的質量要求進行模擬測試。同時解決測試出口電磁閥產品性能指標的難題，為我國電磁閥的出口產品提供必要的技術性能測試設備。

　　系統結構與工作原理

　　如圖1所示，整個系統包括單片機、I／O擴展電路、D／A轉換電路、PWM產生電路、頻率選擇電路、光電隔離和驅動電路及鍵盤和顯示電路。系統以單片機為控制中心，採用DDS晶元AD9851(＄16.8480)和PWM控制晶元SG3525(＄0.3864)為波形發生設備，採用8255A擴展單片機外圍介面作為三路D／A轉換電路數據輸入口，三路模擬電壓分別用於控制頻率、占空比和幅度。通過單片機處理數據控制波形發生設備輸出信號的頻率和占空比，再通過後級的頻率選擇電路和光耦隔離與驅動電路，實現輸出頻率、占空比和幅度可調的PWM信號。此外，人機介面採用鍵盤和LCD顯示，通過RS 232串口進行通信後，由PC機實現。

　　信號產生與控制電路

　　系統要求產生頻率在O～25 000 Hz之間占空比可調的PWM信號，採用PWM控制晶元SG3525可以很方便地產生頻率和占空比獨立可調的PWM信號，但由於SG3525在150 Hz以下頻率極不穩定，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，採用AD9851作為信號發生器，高頻段為200～25 000 Hz，採用SG3525作為信號發生器。

　　低頻段PWM信號產生電路

　　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。基本工作為：在採樣時鐘信號的控制下，通過由頻率碼控制的相位累加器輸出相位碼，將存儲於只讀存儲器中的波形量化採樣數據值按一定的規律讀出，經 D／A轉換和低通濾波後輸出正弦信號。

　　低頻段信號產生電路如圖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採用高速並行介面工作方式，以AT89C55(＄1.4490)的引腳P1．0～P1．7作為AD9851的並行數據輸入埠，P2．O，P2．1，P2．2作為I／O口輸出數據對AD9851的RESET，FQ_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信號輸出埠。單片機具體輸入方式為：有效複位信號RESET使輸入數據地址指針指向第1個輸入寄存器，W_CLK上升沿寫入第1組8位數據，指針指向下一個輸入寄存器。連續5個W_CLK上升沿完成全部40位控制數據的輸入。此後WCLK信號上升沿無效。FQ_UD上升沿到來時這40位控制數據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，同時把地址指針複位到第1個輸入寄存器，等待下一組新數據的寫入。

　　AD9851 首先通過IOUT引輸出頻譜純凈的正弦信號，輸出經外部無源低通濾波後，由引腳VINP進入AD9851內部高速比較器，最後由引腳 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，將單片機埠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。

　　具體控制占空比過程如下：單片機進入外部中斷之後，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，延時函數如下：單片機晶振為12 MHz時，此函數延時8c μs，假設AD9851輸出頻率為f的方波送給INT0。由於本設計低頻率段在0～200 Hz範圍內，AD9851送給外部中斷引腳的方波周期比較大，因此採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信號產生電路

　　SG3525是一種性能優良、功能齊全、通用性強的單片集成脈寬調製控制器，由於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試。因此選擇SG3525作為本設計的高頻PWM信號發生器，產生200～25 000 Hz的PWM信號。高頻段PWM信號產生電路如圖4所示。單片機通過兩路D／A轉換之後產生兩個模擬電壓信號，分別用於控制SG3525的占空比和頻率。通過控制調頻三級管 Q1的基極電壓Ub來調節SG3525的2腳Non上的電流大小，達到控制SG3525輸出PWM頻率的目的。通過改變控制三級管Q2的基極電壓Ub來調節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脈衝由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，由於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係，所以軟體實現也很方便。

　　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74LS00和上拉電阻即可實現TTL電平，在高頻段由於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。通過單片機控制單片集成模擬開關MAX318(＄0.8078)來實現頻率的選擇，這裡選用常開腳NO作為開關的輸入，公用端COM作為輸出信號。通過IN腳的真值來切換開關狀態，分別通過單片機I／O埠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晶元的IN腳為高電平，另一個必須為低電平，否則會使兩路信號發生串擾。

　　光耦隔離與驅動電路

　　PWM 控制電路與驅動電路之間需要進行電氣隔離，以消除主電路對信號發生電路的干擾。PWM信號發生電路產生的PWM信號電流太小，不能直接驅動功率放大管，而且無法調整輸出PWM電源輸出的幅度，由此設計了光耦隔離與驅動電路。電路如圖6所示，PWM作為整個電路的控制信號，經過光耦隔離放大後再由兩級開關三極體來控制主電路的通斷，在電磁閥上產生頻率和占空比可變的PWM脈衝信號，同時單片機通過D／A轉換產生一路可變的模擬電壓信號，該信號經過電壓負反饋電路以穩定輸出電壓幅度，再通過連續幾級射級跟隨器以增大輸入電流以驅動功率管，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，實現幅度在 0～36 V之間任意設置。

　　設計的用於模擬汽車電磁閥工作狀態的PWM電源，通過矩陣鍵盤和LCD實現人機對話，通過單片機處理數據來控制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鍵盤傳送給單片機，並且通過LCD實時顯示。單片機產生的控制信號來模擬電磁閥的實際工作狀態，可以對汽車電磁閥在各種工作狀態下的質量要求進行檢測，保障電磁閥出廠前的質量。該電源運行穩定、精度高，目前已成功應用到汽車電磁閥的生產企業，為企業創造了顯著的經濟效益，為我國電磁閥的出口做出了貢獻。

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