頻率和占空比可調的開關電路實驗

李浩楠 張偉玉

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

關鍵詞：定時器;頻率;PWM;占空比

中圖分類號：TM935 文獻標志碼：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

隨著電力電子技術的飛速發展，在各種場合經常需要特定頻率的PWM信號，以便實現更加精確的控制，如電機、開關電源等。PWM脈寬調制技術是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，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控制技術利用一系列等幅不等寬的脈沖（不同占空比的矩形波），經過信號處理生成所需各種波形[2]。為了能夠達控制效果，實現驅動功率模塊的頻率和占空比調節，需要設計頻率和占空比可調的PWM波發生器。

2 硬件電路

本系統由單片機的為核心模塊構成，其中最主要的便是單片機的定時器模塊，這是輸出PWM[3]的核心，通過這些IO口與外部設備通訊達到控制PWM的目的。系統結構如圖1所示：

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

（1）顯示電路

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

（2）開關電路

為滿足各類開關電源的需要，有時需要幅值較大的開關信號，故還需要設計將PWM開關信號幅值放大電路。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個引腳，分別是輸入、輸出、反饋、啟動、接地引腳。在設計硬件電路時，將反饋線遠離電感，以防感性元件對反饋電路信號產生干擾，導致輸出電壓達不到預期要求。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為穩壓管，穩定輸出電壓。同時L1電感以及COUT電解電容組成LC濾波電路，進一步穩定輸出的電壓。通過調整R1以及R2的比例可以控制PWM信號輸出。

3 系統測試與分析

通過軟件編程及硬件電路測試，三款不同單片機的工作電路PWM實驗測試情況如下：

（1）STC89C51RC電路測試

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

通過實驗驗證，周期數為250us，利用51單片機產生占空比為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計數器產生波形如圖5所示。

由圖可知，PWM占空比為75%，最大頻率為3.6K，PCA計數器的好處是使用方便，產生波形精準，因此適用于對頻率要求不高的場合。

（3）STM32F103RCT6電路測試

利用STM32F103RCT6產生占空比為50%，頻率為1MHz的波形如圖6。

該PWM信號頻率若達到1MHz，占空比在可控范圍，并且該PWM最大頻率是要求頻率的十倍，因此利用STM32實現的信號發生器完全符合預期實驗目的。

4 結束語

STC89C51RC的PWM發生器頻率可調區間為0～18.39KHz，但達到最大頻率時其占空比可調范圍窄;STC12C5A60S2產生的PWM發生器頻率可調區間為0～107KHz，但達到最大頻率時其占空比可調范圍窄;使用STM32F103RCT6實現的PWM發生器，頻率在0～1MHz可調，同時其占空比精度高。

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

參考文獻：

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

[2]侯清江，張黎強.開關電源的基本原理及發展趨勢探析[J].制造業自動化，2010，32（9）：160-161.

[3]齊宣，李一民.基于STC15單片機的高精度頻率計設計[J].軟件，2017，38（12）：220-222.

[4]劉洋，韓鵬.基于ARM的DDS信號發生器設計[J].應用天地，2011，30（7）：66-69.