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1、PWM 信号发生器的研制- 1 -前言前言脉冲宽度调制是现代控制技术常用的一种控制信息输出，可以有效地利用数字技术控制模拟信号的技术。PWM(Pulse Width Modulation)又称脉冲宽度调制，属于脉冲调制的一种，即脉冲幅度调制（PAM） 、脉冲相位调制（PPM） 、脉冲宽度调制（PWM）和脉冲编码调制（PCM） 。它们本来是应用于电子信息系统和通信领域的一种信号变换技术，但从六十年代中期以来后，随着电力电子技术被引入到电力变换领域，PWM 技术广泛运用于各种工业电力传动领域乃至家电产品中。目前，随着微机技术日益广泛深入工业控制领域，单片机控制的 PWM 技术迅速发展，其突出特点是
2、可以比较容易地选择最佳的脉冲调制频段，更重要的，由于与单片机的结合，整个系统可以集成为具有更完备的保护功能、故障诊断功能和显示功能的高可靠的微型化的系统。因此，被竞相开发，前景广阔。在智能化产品开发中, 许多常用的单片机没有提供脉宽调制(PWM ) 电压信号输出功能, 而在某些特定的场合需要得到 PWM 信号。 PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。PWM 控制技术一直是变频技术的核心技术之一,由于 PWM 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。目前实现方法为采用全数字化方案
3、，完成优化的实时在线的 PWM 信号输出。本文主要介绍了 PWM 信号发生器的概念、作用及定义，分析了系统的工作原理和软硬件的设计。主要是以 AT89C51 单片机为核心控制单元，通过对外围电路芯片的设计实现 PWM 输出波形的频率、电压幅值、占空比的连续调节，达到产生 PWM 信号目的。 PWM 信号发生器的研制- 2 -第一章第一章 系统组成与工作原理系统组成与工作原理1.11.1 系统设计内容与要求系统设计内容与要求一、设计内容：PWM 信号发生器的研制二、设计要求：（1） 采用定时/计数器 8253（2） PWM 信号的工作频率为 500Hz(1000Hz)（3） 占空比可变且显示占空
4、比1.21.2 系统组成系统组成如图 1.1 所示为系统的设计结构框图。此系统由 89C51 单片机核心控制单元、HD7279 控制的显示与键盘扫描单元以及 8253 计数单元组成，其中还用到了 74LS138译码器作为单片机的片选输出来作为 8253 计数器的口地址控制单元，在完成 89C51与 8253 连接的电路中还用到了 74LS373 地址锁存器和一些逻辑门电路组成。图 1.1 设计结构框图1.31.3 工作原理工作原理PWM 信号发生器是通过 89C51 单片机对显示器模块和定时/计数器模块的控制，采用软件编程的方法，通过改变给 8253 计数器的写入值产生一系列幅值相等而宽度不等
5、的脉冲， ，再通过一整形电路，产生规则的 PWM 脉冲波形，而改变 8253 的计数器初值是通过键盘操作实现的，同时数码管显示相应的占空比。显示器单片机定时/计数器整形PWMPWM 信号发生器的研制- 3 -第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计2.12.1 方案比较与确定方案比较与确定方案一：方案一：直接采用 51 单片机 TO/TI 定时,通过软件编程产生 PWM 脉冲。以89C51 单片机为核心控制单元，采用计数法加软件延时法，以及与按键相配合。当有按键按下后，通过键盘扫描将所按键值作为 PWM 信号的的占空比输入，经软件程序处理后实现 PWM 信号的占空比可变，并在数码管上显示相应的占
6、空比。方案二：方案二：选用可编程芯片 8253 的计数器 0 作为 PWM 信号发生器，8253 的计数器 0 工作在可重复触发单稳态方式 1 下，它的输出口 OUT0 产生宽度可调的 PWM 信号脉冲，该输出脉冲宽度为：W=N/f；输出的占空比为：P=W1(f/N)； 式中，W 为输出脉冲宽度，单位是秒；W1 为一个周期内高电平的脉冲宽度，P 为占空比；f 为计数器时钟信号的频率；N 为单片机为其置入的计数值。PWM 的频率由 GATE0 上所加的信号频率决定；在计数器 0 的 GATE0 端输入一定频率的方波，该频率由计数器 1 的OUT1 输出产生，再由 89C51 的 ALE 锁存信号
7、给 CLK1 和 CLK0 同步的时钟脉冲，最后改变计数器值 N 产生连续可调的 PWM 信号。如图 2.1 所示。图 2.1 系统原理框图分析：由于单片机本身内部具有计数及定时功能，方案一与方案二相比方案一直接使用单片机内部芯片功能产生 PWM 脉宽调制波形算法实现简单，成本低廉。但是受单片机端口数量及单片机工作频率（主要为晶振频率）的限制，单片机无法实现多路控制；单片机搭建的电路抗干扰性较差，易受感性负载的影响，电路的稳定性较低；单片机利用程序实现 PWM 脉宽调制波形，程序执行存在相对延迟现象，尽管单次延迟时间很小，但是延迟时间的累积会对较为复杂的控制产生难以估量的影响。考虑到必须保证系
8、统的稳定性，所以本设计采用方案二实现。HD727989C518253PWM 信号键盘数码管PWM 信号发生器的研制- 4 -2.22.2 单元电路设计单元电路设计2.2.12.2.1 振荡电路振荡电路单片机需要不断地提供时钟脉冲，这个时钟脉冲就是由振荡电路提供的，它是由一个石英晶振、两个反馈电容组成，振荡电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。晶振频率多在1.2MHz12MHz 之间选取，工业上常用的是6M和12M，而本次专业课设用的晶振频率是11.0592MHz，反馈电容的取值一般在5PF30PF 之间选择,这里我们选用是30PF的反馈电容，它的作用有两个：一是驱动振荡器工作，二是对振
9、荡器的频率F 起微调作用，反馈电容值越大，振荡器的频率就越小，二者成反比。如图3.2所示。2.2.22.2.2 复位电路复位电路单片机需要复位以后才能正常工作，复位的目的就是使单片机处于一个基准点，在这个基准点，程序将会从C51的MAIN主行数的第一条语句开始执行。一般来说复位电路有两种，一种是手动复位，另一种是上电复位，本设计采用的是常用的的上电复位，复位过程很简单，在电源刚刚合上时，电流经过电阻对电解电容充电，这样在电阻上就形成了一个电压，对于单片机来说，这个电压就是复位电压。经过若干毫秒以后，电解电容器被充满电，这时电阻就没有电流流过，电阻两端也就没有电压，单片机的复位脚RET电压恢复为
10、零，复位工作结束，单片机开始工作。在本次设计中选用的是10uF的电解电容，10K的电阻以及5V的外接电压。如图2.2所示。PWM 信号发生器的研制- 5 -图2.2 单片机振荡电路与复位电路图2.2.32.2.3 定时定时/ /计数器计数器 82538253 模块电路模块电路本模块是此次设计的核心模块，是利用可编程计数器 8253 与 89C51 单片机的特殊连接所实现的。一片 8253 共有 3 个独立通道，各通道共有 6 种工作方式，其中方式 1（可编程序单稳）的工作性能是：当控制字装入控制寄存器后，OUT 变高，在 GATE 输入信号的上升沿以后的整个技术过程中，OUT 变低，一旦技术结
11、束则 OUT 变高。下一次GATE 上升沿触发，OUT 再一次变低，输出一定宽度的负脉冲。若在 OUT 为低时写入新的计数值，则在下一次触发之前将不影响单稳脉冲宽度。由 8253 可编程序单稳工作特性可知，每启动一次，定时时间由计数值而定。该特性适合本次设计 PWM 波形的工作要求。单片机向 8253 的通道 0 赋值给方式 1 的控制字及计数值 T0，OUT0 输出为高电平，但计数器 0 未启动不工作，这时通道处于等待状态，等待 GATE0 的上升沿到来。单片机向 8253 的通道 1 赋值给方式 1 的控制字及计数值 T1，OUT1 输出由低变高，因而在 GATE0 端得到一个上升触发脉冲
12、启动通道 0 定时，在定时中 OUT0 变为低电平，这时 8253 开始进入双定时器互相触发启动的工作状态。在通道 0 第一次定时结束，OUT0 输出变高，是 GATE1 端得到一个上升触发脉冲PWM 信号发生器的研制- 6 -启动通道 1 定时，而通道 0 处于等待状态。当时钟频率为 f0，调宽脉冲周期为 T(T=t+t)时，则有：T0=f*t, T1=f*t （1）当 t用 T 与 t 取代时，可得：T1=f*(T-t) （2）由此看来，当需要得到宽度为 t 的调宽脉冲时，必须给通道 0 置计数值为 T0，通道 1 置计数值为 T1，当需要调整脉宽时，只需按式（1）和式（2）重新计算 T0
13、和 T1，置入各对应通道，输出波形后自动得到调整，从而实现了占空比可变的脉宽调制的目的在这里单片机除了需要给 8253 定时/计数器 8 位数据以外，还需用到 74LS373地址锁存器对单片机的地址进行锁存，由于 74LS373 内部是由 8 个 D 触发器构成的，在这里其中的两个触发器输出 Q1 和 Q2 是 8253 中的 A0 和 A1 的输入信号，使得8253 得到正确的控制口地址和计数器口地址，这也是 8253 计数器正常工作所必须的。其次是单片机的 P2.5 作为 8253 的片选信号，以此来进一步确定 8253 的口地址，8253的读写信号分别由单片机的读写信号直接给予，然后是
14、ALE 地址所存信号给 8253的 CLK1 和 CLK0 送同步时钟信号，最后通过 OUT1 的输出脉冲打开 GATE0，使得 OUT0经过一个反相器后得到我们最终所需的 PWM 脉冲信号。如图 2.3 所示。PWM 信号发生器的研制- 7 -图 2.3 定时/计数器 8253 控制电路图2.2.42.2.4 键盘及显示电路键盘及显示电路HD7279A 只需要4 根线（CS、CLK、DATA、KEY）与AT89C51 相连，仅仅使用单片机的P1.0P1.3 口，大大节省了CPU 的端口资源，大大简化系统电路，即可实现键盘接口功能。由于HD7279A 内部含有去抖动电路，软件编程时不需要键盘的
15、消抖动程序，而且HD7279A 的控制指令也使得软件编程更简单。选用HD7279A 芯片作为驱动接键盘矩阵。扫描键盘时，如果有键按下，直接通过读键盘数据指令即可在LCD 上显示键入的键值，而不需要通过AT89C51 口线来控制键盘输入值。所以选择HD7279 作为驱动芯片的键盘电路。常用的数码管显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管a-g控制七个段的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器控制简单，使用方便，而且字符较亮，价格适宜，所以选择数码管显示.如图2.4所示。PWM 信号发生器的研制- 8 -123456ABCD654321DCBAT itleN um be
16、rRevisionSizeBD ate:26-Jun-2009Sheet of File:C:D ocuments and SettingsA dm inistrator了了了了了了了了JK.D DBD raw n By:V DD0V DD1N C2V SS3N C4CS5CLK6D AT A7K EY8SG9SF10SE11SD12SC13SB14SA15D P16D IG 017D IG 118D IG 219D IG 320D IG 421D IG 522D IG 623D IG 724CLK 025RC26RESE T27U 3H D727912L 112L 212L 312L 412L 512L 612L 712L 810K10K10K10K S1S2S3S4S8S7S6S5S12S10S14S9S13S15S16S11200K200K200K200K10
