頻率和占空比可調(diào)的開關(guān)電路實(shí)驗(yàn)

李浩楠 張偉玉

摘? 要：本系統(tǒng)分別選用STC89C51RC、STC12C5A60S2以及STM32F103RCT6三款芯片的定時(shí)器及其內(nèi)部產(chǎn)生PWM（Pulse Width Modulation）模塊，通過控制其波頻率和占空比實(shí)現(xiàn)對MOSFET功率模塊的控制，使得開關(guān)信號滿足開關(guān)電路電壓的需要。通過對比三款芯片所產(chǎn)生PWM波信號可靠性、穩(wěn)定性及其成本等因素比較，最終實(shí)現(xiàn)頻率在0Hz～1MHz范圍內(nèi)可調(diào)，占空比在1～99%可調(diào)。

關(guān)鍵詞：定時(shí)器;頻率;PWM;占空比

中圖分類號：TM935 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）23-0040-02

Abstract： In this system， the timers of STC89C51RC， STC12C5A60S2 and STM32F103RCT6 chips and their internal PWM （Pulse Width Modulation） modules are selected respectively， and the MOSFET power module is controlled by controlling their wave frequency and duty cycle. The switching signal meets the needs of the switching circuit voltage. By comparing the reliability， stability and cost of the PWM wave signal generated by the three chips， the frequency is adjustable in the rangeof 0Hz～1MHz and the duty ratio is adjustable in 1～99%.

Keywords： timer; frequency; PWM; duty ratio

1 概述

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在各種場合經(jīng)常需要特定頻率的PWM信號，以便實(shí)現(xiàn)更加精確的控制，如電機(jī)、開關(guān)電源等。PWM脈寬調(diào)制技術(shù)是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，等效出所需要的波形[1]。其中用到了面積等效原理，基于該理論生成的PWM控制技術(shù)利用一系列等幅不等寬的脈沖（不同占空比的矩形波），經(jīng)過信號處理生成所需各種波形[2]。為了能夠達(dá)控制效果，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功率模塊的頻率和占空比調(diào)節(jié)，需要設(shè)計(jì)頻率和占空比可調(diào)的PWM波發(fā)生器。

2 硬件電路

本系統(tǒng)由單片機(jī)的為核心模塊構(gòu)成，其中最主要的便是單片機(jī)的定時(shí)器模塊，這是輸出PWM[3]的核心，通過這些IO口與外部設(shè)備通訊達(dá)到控制PWM的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

為對比分析影響PWM信號頻率及占空比的因素，系統(tǒng)選用了傳統(tǒng)的12T的STC89C51RC單片機(jī)，1T的STC12C5A60S2單片機(jī)以及高性能的STM32F103RCT6的ARM[4]。

（1）顯示電路

系統(tǒng)選用兩片74HC573鎖存器連接8位共陰數(shù)碼管，分別用于顯示占空比和頻率。

（2）開關(guān)電路

為滿足各類開關(guān)電源的需要，有時(shí)需要幅值較大的開關(guān)信號，故還需要設(shè)計(jì)將PWM開關(guān)信號幅值放大電路。該電路利用MOS管搭建了共源極放大電路。其電壓增益高，輸入輸出電壓反相，輸入電阻大，輸出電阻主要由Rd決定。最后利用兩根導(dǎo)線引出幅值放大后的PWM波。

（3）電源電路

LM2596降壓模塊原理圖如圖2所示，LM2596有5個(gè)引腳，分別是輸入、輸出、反饋、啟動(dòng)、接地引腳。在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，將反饋線遠(yuǎn)離電感，以防感性元件對反饋電路信號產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致輸出電壓達(dá)不到預(yù)期要求。在輸入端接入濾波電容，防止干擾。3引腳及5引腳必須接地，使能芯片輸出。D1為穩(wěn)壓管，穩(wěn)定輸出電壓。同時(shí)L1電感以及COUT電解電容組成LC濾波電路，進(jìn)一步穩(wěn)定輸出的電壓。通過調(diào)整R1以及R2的比例可以控制PWM信號輸出。

3 系統(tǒng)測試與分析

通過軟件編程及硬件電路測試，三款不同單片機(jī)的工作電路PWM實(shí)驗(yàn)測試情況如下：

（1）STC89C51RC電路測試

周期數(shù)為250us時(shí)，占空比為30%的PWM波最大頻率為164Hz，此時(shí)定時(shí)器中的基數(shù)為233。其波形圖如圖3所示：

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，周期數(shù)為250us，利用51單片機(jī)產(chǎn)生占空比為30%的PWM波。其最大頻率為921Hz。其波形圖4所示：

（2）STC12C5A60S2電路測試

利用STC12C5A60S2自身的PCA計(jì)數(shù)器產(chǎn)生波形如圖5所示。

由圖可知，PWM占空比為75%，最大頻率為3.6K，PCA計(jì)數(shù)器的好處是使用方便，產(chǎn)生波形精準(zhǔn)，因此適用于對頻率要求不高的場合。

（3）STM32F103RCT6電路測試

利用STM32F103RCT6產(chǎn)生占空比為50%，頻率為1MHz的波形如圖6。

該P(yáng)WM信號頻率若達(dá)到1MHz，占空比在可控范圍，并且該P(yáng)WM最大頻率是要求頻率的十倍，因此利用STM32實(shí)現(xiàn)的信號發(fā)生器完全符合預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 結(jié)束語

STC89C51RC的PWM發(fā)生器頻率可調(diào)區(qū)間為0～18.39KHz，但達(dá)到最大頻率時(shí)其占空比可調(diào)范圍窄;STC12C5A60S2產(chǎn)生的PWM發(fā)生器頻率可調(diào)區(qū)間為0～107KHz，但達(dá)到最大頻率時(shí)其占空比可調(diào)范圍窄;使用STM32F103RCT6實(shí)現(xiàn)的PWM發(fā)生器，頻率在0～1MHz可調(diào)，同時(shí)其占空比精度高。

綜上所述，對于STC89C51RC和STC12C5A60S2，兩款芯片價(jià)格幾乎一致，STM32F103RCT6的低功耗高性能輸出可以很好的滿足設(shè)備的需要，但相應(yīng)的芯片成本較高。STC12C5A60S2雖在頻率性能上不及STM32F103RCT6，但成本低，因此可以根據(jù)實(shí)際需要選擇芯片。

參考文獻(xiàn)：

[1]HAYKIN S.自適應(yīng)濾波器原理（第四版）[M].鄭寶玉，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]侯清江，張黎強(qiáng).開關(guān)電源的基本原理及發(fā)展趨勢探析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32（9）：160-161.

[3]齊宣，李一民.基于STC15單片機(jī)的高精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)[J].軟件，2017，38（12）：220-222.

[4]劉洋，韓鵬.基于ARM的DDS信號發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用天地，2011，30（7）：66-69.