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利用可程式脈衝產生器實現PWM和DAC功能

上網時間: 2004年01月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:脈衝寬度調變(PWM)  Pulse Width Modulation (PWM)  可程式脈衝產生器(PPG)  Programmable Pulse Generator  PPG 

圖1:控制面板燈光亮度調節器。 在要求脈寬調變(PWM)輸出功能或需要產生類比電壓來控制外部元件,而微控制器本身內部不具備這些功能時,有幾種方法可以用來產生脈寬調變輸出,最簡單的方法是從微控制器專用PWM定時器中來產生。然而,並不是所有的微控制器都具有PWM定時器。另一種方法是用晶片上16位元可程式脈衝產生器(PPG)的定時器來實現該功能,內建16位元PPG定時器的微控制器可以配置成PWM模式來產生週期不變、具有各種脈衝寬度的波形,並與一個專用的外部或軟體觸發器保持同步。

PWM的一些典型應用如控制汽車尾燈或儀表盤亮度的調光器、小型直流風扇的電機速度控制器、小型加熱器控制器,甚至是數位類比轉換器(DAC),在這些DAC上增加一些簡單的外部電路,就可以在精密度要求不太高的應用中用來控制外部元件。

圖1所示為一個儀表盤燈光調節器,圖中MB90F428G是一個具有PPG功能的微控制器。將微控制器的16位元PPG定時器配置為連續PWM模式來獲得脈寬調變輸出,以用於汽車儀表盤燈光亮度控制。產生的PWM與內部軟體觸發器同步,或與一個外部觸發器同步。微控制器的PPG周邊電路見圖2。圖2:PPG模組框圖。

MCU使用一個4MHz的主時脈,透過內部份頻器可以得到期望的時脈頻率,將該頻率作為16位元遞減計數器的輸入。PCSR是一個用於設置間隙時間的16位元數據暫存器;PDUT是用於佔空比設置的16位元比較暫存器,也是一個接腳控制字段。脈衝輸出的間隙時間和佔空比可以透過改變這兩個16位元暫存器的值來自由設置,該特性能幫助PPG工作在PWM模式。在PWM模式中,當外部觸發訊號位於‘P05/SCK1/TRG’接腳處,或內部軟體觸發器產生訊號時,將發出一個啟動觸發訊號,在檢測到該觸發訊號後MCU將產生連續脈衝輸出。另一個重要的16位元暫存器是‘PCNT’,這是一個PPG控制和狀態暫存器,從0到15位元可以用來選擇所需的時脈、模式(如PWM)、觸發類型、PPG輸出開啟,以及中斷請求。

圖5的流程圖說明了PPG作為PWM輸出的功能配置,透過精確控制PWM輸出的週期和佔空比可以改變白熾燈的亮度。MC3392是一個具有故障報告功能的單低邊保護開關。輸入到MC3392的訊號可以相容CMOS、TTL電平,該訊號從微控制器的PPG0接腳91輸出。典型的脈衝調變輸出頻率是80Hz,該頻率可以避免產生眼睛可以感覺的閃爍,輸出脈衝的佔空比可以在3%至97%之間設置,當為3%時燈不亮,而在97%時燈看起來一直處於導通狀態。MC3392有一個1A的內部短路保護,並具有一個獨特的電流回饋功能。該元件還有一個內部輸出箝位電路,用於感性負載的過流、過壓和過熱保護。因此,MC3392輸出端可以連接燈的數目取決於總負載電流的大小,該電流應小於1A。發光二極體‘D1’用來表示出現系統故障,如過壓、過流或熱切斷。圖3:直流負載控制。

在PWM模式中使用PPG的另一個應用是小型直流風扇所用的電機速度控制,如圖3中電路圖所示,該電路也可以用於小型加熱器控制器或直流燈調光器。在PWM模式下PPG輸出產生一個具有可變通斷比的方型波,平均導通時間可以在10%到100%之間變化,該應用將PPG設置成頻率為400Hz的脈寬調變輸出。

脈寬調變的另一個優點是脈衝能達到滿程供電電壓,因而可以更容易地克服電機內部電阻,產生更大的電機力矩。圖中Q1是N通道IRF521 MOSFET,用來驅動負載,該功率開關接收柵極脈寬調變電壓,透過源-漏極電流通路來實現對負載電流的開關。當Q1導通時為負載提供一個接地通路,當Q1斷開時,負載的接地斷開。要確保負載端不接地,否則會產生短路。電源電壓一直加在負載的正電壓端,根據不同的脈衝寬度發光二極體產生相應的亮度。電容器C3用來平滑開關波形,並過濾掉一些RFI。二極體D2是1N4004,是一個續流二極體,用來斷開來自感性負載的電壓反衝。C4是一個0.1μF/50V的陶瓷電容器。當工作負載小於或等於1A時,Q1不需要散熱器,而如果需要更大電流,則需要將Q1替換成一個帶散熱器的大電流元件(如IRFZ34N)。此時,對於某些電機而言還必須用一個更快速和更大電流的二極體來替代D1。

與前面所述的應用相較,除了時脈頻率、週期和佔空比設置暫存器值需要改變外,軟體流程與圖5基本相同。

在某些應用中需要微控制器用類比訊號來控制外部元件,但一般微控制器晶片上沒有DAC,而外部DAC成本較高。此時,用一個簡單的外部RC電路來構成一個低通濾波器,用MCU圖4:利用PWM輸出來實現DAC功能。 PWM模式的PPG定時器來產生類比訊號輸出是一個較好的方法。這樣一個DAC的優點是它的解析度可以由軟體來設置,並且該DAC的基本原理是產生PWM輸出。圖4所示的電路只用少數外部元件就提供了高解析度,其缺點是響應慢,並因此產生一個類比電壓紋波。R和C的值可以用下面的公式來運算:

fg=1/2π×Rfilter×Cfilter

這?fg是濾波器頻率,Rfilter是濾波器電阻,Cfilter是濾波器電容器。

標準的設計是使fg=(1/10)×fpwm

τfilter=10/(2π×fpwm),給出了外部濾波器的RC時間常數。

標準的設計規則要求Rfilter=Rload/10圖5:控制過程流程圖。

按照上面的指導原則可以使濾波器的功耗最小化。如果不遵循上述原則,運算將產生錯誤,使負載電阻相較於濾波器電阻太低,而負載電阻會影響濾波器頻率。由於運算結果與1/10相乘,因此產生的誤差將很小,可以忽略不計。

C=τfilter/Rfilter

在上面的RC參數值下,如果剩下的紋波電壓太高,可以用兩個RC濾波器串聯起來。濾波器的頻率(假設兩個RC濾波器有相同的R和C)可以表示為:

C=τfilter/Rfilter

fg=(1/10)×fpwm

運算結果如下:

τfilter=10/(√2×π×fpwm)

Rfilter=Rload/20,Cfilterfilter/Rload

這樣,在PWM模式下PPG功能的數位輸出可以用來控制類比電路,實現低噪音、高效率、節約空間和低成本的設計。

作者:Sandhya Mallikarjun


高級應用工程師


Fujitsu Microelectronics Americas公司




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