PWM信號發生器設計

丁巖巖　馬洪華　李衛中

關鍵詞：LM3S1138；PWM信號；OPA355；ADS7818；矩陣鍵盤；LCD12864

中圖法分類號：TN03 文獻標識碼：A

1引言

脈沖寬度調制（PWM）是現代控制技術常用的一種控制信息輸出，是可以利用微處理器的數字輸出對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于從測量、通信到頻率控制與變換的諸多領域。

PWM技術[1]本來是應用于電子信息系統和通信領域的一種信號變換技術，但從20世紀60年代中期以來，隨著電力電子技術被引入電力變換領域，PWM技術廣泛應用于各種工業電力傳動領域乃至家電產品中。目前，隨著微機技術日益廣泛深入工業控制領域，單片機控制的PWM技術迅速發展，其突出特點是可以比較容易地選擇最佳的脈沖調制頻段，更重要的是，由于與單片機的結合，整個系統可以集成為具有更完備的保護功能、故障診斷功能和顯示功能的高可靠的微型化系統。因此，它被競相開發，應用前景廣闊。

2系統功能

設計并制作一臺PWM信號發生器，電路組成框圖如圖1所示。

3總體方案設計

本方案以32位的LM3S1138微控制器為主要控制單元，PWM信號由LM3S1138直接產生，通過Timer模塊的定時器模式產生（10Hz-1kHz）PWM信號，再由Timer模塊的PWM模式產生（1kHz～100kHz）PWM信號，通過按鍵控制繼電器來選擇產生不同頻率階段的PWM信號，再經由OPA355實現幅值可調功能，ADS7818采集PWM信號的電壓幅值，PWM信號的頻率、幅值和占空比通過液晶LCD12864顯示出來，通過鍵盤可實現頻率和占空比可調以及占空比設置的功能。系統框圖如圖2所示。

4硬件電路設計

4.1控制器選型及功能特點

LM3S1138是Luminary Micro公司Stellaris所提供一系列的微控制器，是首款基于ARM（R） Cortex（TM）-M3的控制器，它為對成本尤其敏感的嵌入式微控制器應用方案帶來了高性能的32位運算能力。該具備領先技術的芯片使用戶能夠以傳統的8位和16位器件的價位來享受32位器件的性能，而且所有型號都是以小占位面積的封裝形式提供。

該LM3S1138微控制器是針對工業應用方案而設計的，包括遠程監控、電子販售機、測試和測量設備、網絡設備和交換機、工廠自動化、HVAC和建筑控制、游戲設備、運動控制、醫療器械以及火警安防。

4.2鍵盤接口電路設計

依據本系統設計要求，需要有頻率步進、占空比步進及設置、幅值步進等功能，故需要設計鍵盤模塊。在本設計中使用常用的4*4鍵盤。4*4鍵盤硬件設計多采用矩陣式鍵盤，4*4矩陣鍵盤用8個IO端口實現16按鍵功能。鍵盤按鍵布置如圖3所示。

4.3液晶顯示

顯示模塊使用的是LCD12864液晶，LCD12864液晶顯示為128*64的點陣，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，硬件電路結構和顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。LCD12864液晶的原理簡圖如圖4所示。

4.4 OPA355電路設計

OPA355是具有關斷狀態的CMOS寬帶運算放大器，其工作電路原理圖如圖5所示。

由同相比例運算放大器輸入／輸出Vo=（1+Rf/R1）*Vi，可得：

Vout=（1+R2/R1）Vin （1）

4.5 ADS7818電路設計

ADS7818是12位高速低功耗采樣模數轉換器，其分辨率為1/4 095，精度較高。ADS7818工作的電路如圖6所示。

該電路中由串行時鐘輸入引腳CLK、串行數據輸出引腳DATA和轉換信號輸入引腳CONV組成的串行接口直接與單片機的輸入／輸出引腳連接。要使上述ADS7818的電路工作，單片機加到它的引腳上的信號必須滿足工作時序如圖7所示。

ADS7818采集的電壓值為Vo，其計算公式為

其中，temp為采集到的數字量。

5軟件設計部分

5.1軟件設計總體結構

系統軟件部分主要包括具有友好界面的操作菜單，各種信號的設置和控制。PWM信號產生過程：頻率設置，使用Timer模塊的定時器模式和Timer模塊的PWM模式分別產生10Hz～1kHz和10 kHz～100kHz的PWM信號。調幅波產生過程為：把PWM信號通過OPA355調節滑動變阻器可得到1V～5V的調制。軟件流程圖如圖8所示。

5.2 Timer模塊的定時器模式

本程序采用了20 MHz的系統時鐘頻率，采用了32位的可編程周期定時器，由于定時1ms以上的時間比較精確，故采用此方法產生10 Hz～1 kHz的PWM信號。

由于系統時鐘頻率20 MHz已確定，產生PWM信號的頻率是由上述程序中2*T來決定的，且頻率F=200000001（2*T）Hz；占空比=（count1+time）／（2*T）；采用鍵盤改變T的值可實現頻率的步進，改變time的值（此時count1為定值）可現實占空比步進和設置的功能。

5.3 Timer模塊的PWM模式

本模塊采用的是PWM模式，可通過軟件實現PWM信號周期、占空比、輸出反相的控制，由于PWM模式是16位的，不能產生較小的PWM信號，但可產生1kHz～100 kHz的PWM信號，恰好能與上述Timer模塊的定時器模式產生的PWM信號連接上。

由于系統時鐘頻率為20 MHz，產生PWM信號的頻率是由上述程序中ff來決定的，且頻率F=20000000/ffHz；由于PWM模式是16位的，故ff的取值范圍為0～65 535，所以可生1kHz～100 kHz的PWM信號。占空比=f1/ff，采用鍵盤改變ff的值可實現頻率的步進，改變f1的值可現實占空比步進和設置的功能。

5.4鍵盤掃描程序

4*4鍵盤常用的方法有查表法和計算法，在本設計中使用查表法。凌陽單片機PA端口低4位輸出狀態掃描鍵盤。高4位是輸入方式，檢測鍵盤按鍵變化，當沒有按鍵按下時，高4位輸入狀態不變；有按鍵按下時高4位狀態改變。此時，低4位逐行掃描，確定行。再高4位和低4位輸入／輸出方式交換，高4位輸出，低4位輸入；掃描列，確定列。行列都掃描后查表，確定鍵盤值。鍵盤掃描程序流程圖如圖9所示。

6調試

首先編寫調試LM3S1138程序，LM3S1138開發板包含下載器和最小系統，可以直接使用開發板調試程序。實現程序設計需要最基本的模塊有：LM3S1138開發板、128*64液晶、OPA355模塊、ADS7818模塊、4*4鍵盤。調試程序使其滿足頻率、占空比等設計控制功能。其次硬件調試。最后系統聯調，測試系統參數。

測試設備：RIGOL公司DS1052E示波器、SS1792C直流穩壓電源。

測試數據如表1、表2和表3所列。

由表1數據可以看出，由于在高頻的條件下，單片機定時器的固有誤差導致產生的PWM信號有一定程度的誤差，但是本系統的誤差在測量的允許范圍內。

由表2數據可以看出，占空比在產生的過程中沒有誤差，此項功能完成得比較好。

由表3數據可以看出，由于此測量是在100Ω的負載條件下測量所得，在不同頻率階段會影響運算放大器的倍數，故存在一定的誤差，此誤差在測量的范圍內。

7結束語

本系統是基于LM3S1138和OPA355構成的PWM信號發生器，由于LM3S1138資源豐富，含有Timer模塊的32位定時模式和16位PWM模式，可直接通過LM3S1138本身的資源產生PWM信號，產生的PWM信號可通過OPA355實現幅值可調的功能。本系統具有硬件少、結構簡單、容易實現、性能可靠穩定等特點。

作者簡介：

丁巖巖（1989—），碩士，講師，研究方向：嵌入式開發、電子通信技術。

馬洪華（1986—），碩士，實驗師，研究方向：電路系統控制、激光誘導擊穿光譜等（通信作者）。