基于單片機(jī)C8051F410的精確信號(hào)模擬電路設(shè)計(jì)

引言

在對(duì)某型發(fā)射裝置進(jìn)行檢測時(shí)．需要提供三組以11.50伏為基準(zhǔn)的精確直流電壓信號(hào)。為配合測試流程，這三組信號(hào)需要在不同的時(shí)段取18個(gè)不同的直流電壓值，幅度分布在9.33-12.13伏范圍之內(nèi)。原有的測試儀采用22個(gè)精密電阻組成的分壓器，配合波段開關(guān)選擇來產(chǎn)生這18種不同的精確直流電壓信號(hào)。這種設(shè)計(jì)方法價(jià)格昂貴，并且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測，需要通過手工撥動(dòng)波段開關(guān)來實(shí)現(xiàn)測試步驟的轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射裝置的自動(dòng)測試。采用微機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了新型的檢測儀。新的檢查儀以CPU模塊為核心，通過程序控制D/A轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生這三組精確直流電壓信號(hào)，簡化了設(shè)計(jì)，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了測試步驟的自動(dòng)切換。但是在檢測儀的使用過程中發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)重測合格 (RTOK)現(xiàn)象，即檢測儀測定某件裝備不合格，但是更換儀器或重新開機(jī)后再對(duì)該裝備進(jìn)行測試時(shí)結(jié)果良好．這種狀況嚴(yán)重影響裝備單位的使用和維護(hù)。后經(jīng)分析．認(rèn)為主要是檢測儀中產(chǎn)生這三組精確信號(hào)的模擬電路存在工作點(diǎn)漂移問題，精度不高。電壓輸出不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致測試狀態(tài)不正確。為了解決這個(gè)問題，本文基于C8051F410單片機(jī)。采用PWM調(diào)制技術(shù)和負(fù)反饋測量技術(shù)設(shè)計(jì)了～種新的精確信號(hào)模擬電路，有效抑制了工作點(diǎn)漂移問題提高了模擬電路輸出精度．解決了裝備維護(hù)使用工作中存在的實(shí)際問題。

1 電路結(jié)構(gòu)及原理

電路設(shè)計(jì)采用了閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖l所示。電路以C8051F410單片機(jī)為核心．通過程序設(shè)定需要輸出電壓的初始參數(shù)，控制單片機(jī)內(nèi)部的可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)產(chǎn)生適當(dāng)占空比的PWM波形，經(jīng)二級(jí)信號(hào)放大電路和推挽式輸出電路放大后得到精確直流電壓信號(hào)。為了抑制-亡作點(diǎn)漂移并保證足夠的輸出精度，將輸出信號(hào)經(jīng)分壓后引回至C8051F410單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器測量該電壓，并與初始設(shè)定參數(shù)相比較．通過程序調(diào)節(jié)PWM波形的占空比．從而得到具有高可靠性和較高精度的直流電壓輸出信號(hào)。

圖1電路結(jié)構(gòu)框圖

本電路的基本思想就是利用單片機(jī)具有的PWM端口，在不改變PWM方渡周期的前提下．通過軟件的方法調(diào)整單片機(jī)的PWM控制寄存器來調(diào)整PWM的占空比，從而得到所需要的電壓信號(hào)。本電路所要求的單片機(jī)必須具有ADC端口和PWM端口這兩個(gè)必需條件，ADC的位數(shù)要求盡鼉高，單片機(jī)的工作速度要求盡量快。在調(diào)整輸出電壓前，單片機(jī)先快速讀取輸出電壓的大?。缓蟀言O(shè)定的輸出電壓與實(shí)際讀取到的輸出電壓進(jìn)行比較，若實(shí)際電壓值偏小，則向增加輸出電壓的方向調(diào)整PWM的占空比：若實(shí)際電壓偏大，則向減小輸出電壓的方向調(diào)整PWM的占空比。經(jīng)選型發(fā)現(xiàn)，C8051F410單片機(jī)處理器最高運(yùn)行時(shí)鐘可達(dá) 50MHz：具有6個(gè)PCM模塊．可實(shí)現(xiàn)PWM輸出；具有1個(gè)12位ADC模塊，滿足電壓測量精度要求。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)電路的硬件設(shè)計(jì)主要包括C8051F410單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)、放大電路設(shè)計(jì)以及電壓反饋測量前置電路設(shè)計(jì)三個(gè)部分。如圖2所示。

圖2硬件電路示意圖

整個(gè)電路以C805IF410單片機(jī)為核心。C805IF410單片機(jī)具有P0、P1、和P2數(shù)字/模擬可配置的I/0 口，所有的數(shù)字和模擬資源都可以通過這三組24個(gè)I/O引腳使用。輸出一路精確模擬信號(hào)，需要設(shè)置—個(gè)引腳作為PWM輸出口，一個(gè)作為ADC輸入口。在這里，我們?cè)O(shè)置PO.1為PWM輸出口，P0.2為ADC輸人口。

C8051F410單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)主要包括在線調(diào)試和下載電路、外部參考電壓電路和濾波電路設(shè)計(jì)。本文利用單片機(jī)提供的C2調(diào)試接口設(shè)計(jì)了在線調(diào)試和下載電路．如圖2左上側(cè)電路所示．通過計(jì)算機(jī)串口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的快速編程和系統(tǒng)在線調(diào)試。圖2下右側(cè)為外部參考電壓電路璉接到單片機(jī)的Vref引腳．為單片機(jī)ADC等模塊提供2．048伏電壓參考．可通過電位器進(jìn)行調(diào)校。

放大電路包括二級(jí)電壓放大電路和推挽式功率輸出電路兩個(gè)部分．如圖2右側(cè)電路所示。二級(jí)信號(hào)放大電路和推挽式輸出電路均為經(jīng)典電路，在此不再贅述。

電壓反饋測量前置電路如圖2右側(cè)上部所示，實(shí)質(zhì)為分壓電路。由于設(shè)定C8051F410單片機(jī)參考電壓為2．048伏，而輸出電壓最大值為12伏左右，因此選擇電阻R15=4.3K，R16=20K，電位器Pv1標(biāo)稱電阻為5K,并可通過調(diào)節(jié)電位器來改變電壓倍數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本電路中運(yùn)用c語言編程來實(shí)現(xiàn)PWM控制，利用C8051F410芯片的可編程計(jì)數(shù)器陣列組成PWM發(fā)生器。C805IF410芯片的可編程計(jì)數(shù)器陣列由一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和3個(gè)16位捕捉/比較模塊組成．捕捉/比較模塊有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM和16位PWM。每個(gè)捕捉，比較模塊的丁作方式都可以被獨(dú)立配置。對(duì)PCA的配置和控制是通過系統(tǒng)控制器的特殊功能寄存器來實(shí)現(xiàn)的．主要有以下幾個(gè)：

1) PCAOCN可編程計(jì)數(shù)器陣列控制寄存器。該寄存器包括溢出標(biāo)志、運(yùn)行控制標(biāo)志以及捕捉/比較標(biāo)志。

2) PCAOMD可編程計(jì)數(shù)器陣列方式寄存器。該寄存器用于設(shè)置可編程計(jì)數(shù)器陣列的工作模式及時(shí)鐘源。

3) PCAOCPMn可編程計(jì)數(shù)器陣列捕捉/比較寄存器。該寄存器可進(jìn)行捕捉/比較模塊n的工作方式。

4) PCAOCPn可編程計(jì)數(shù)器陣列捕捉，比較寄存器(高低字節(jié))。該寄存器用于設(shè)置捕捉/比較模塊n的高低字節(jié)。

本電路主要利用PCA模塊2來產(chǎn)生PWM波形。初始設(shè)置PCAOCN為0x40．置位PCA模塊2捕捉/比較標(biāo)志．在發(fā)生一次捕捉時(shí)該位由硬件置位，該位置‘1’將導(dǎo)致CPU轉(zhuǎn)向PCA中斷服務(wù)程序。初始設(shè)置PCAOMD為0x08．PCA計(jì)數(shù)器，定時(shí)器時(shí)鐘選擇系統(tǒng)時(shí)鐘。初始設(shè)置 PCAOCPM2為0xc2，使能16位脈沖寬度調(diào)制、比較器功能和PCA模塊2的脈寬調(diào)制方式。PCAOCP2的值將在程序流程中實(shí)時(shí)設(shè)定。軟件流程如圖3所示。

圖3軟件流程圖

具體實(shí)現(xiàn)方法與步驟如下：

1)初始設(shè)置：根據(jù)設(shè)定電壓值生成初始PWM波形和頻率參數(shù)。

2)電壓測最：測量此時(shí)輸出電壓和設(shè)定值之間的偏差，用于調(diào)整PWM參數(shù)。

3)調(diào)整PWM參數(shù)：把設(shè)定的輸出電壓與實(shí)際讀取到的輸出電壓進(jìn)行比較．若實(shí)際電壓值偏小，則向增加輸出電壓的方向調(diào)整PWM的占空比；若實(shí)際電壓偏大，則向減小輸出電壓的方向調(diào)整PWM的占空比。

4)使能PWM輸出。

另外．在軟件PWM的調(diào)整過程中還要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾。合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。

4 結(jié)論

本電路針對(duì)裝備維護(hù)存在的實(shí)際問題?；贑8051F410單片機(jī)，利用PWM調(diào)制技術(shù)和負(fù)反饋測量技術(shù)克服了原電路因工作點(diǎn)不穩(wěn)定的問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將本電路替換掉原來的模擬電路模塊后，榆測設(shè)備重測合格的現(xiàn)象不再出現(xiàn)。本電路從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，抗噪性能強(qiáng)，工作穩(wěn)定，具有較高的輸出精度，對(duì)于同類電路的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文基于C8051F410單片機(jī)，采用PWM調(diào)制技術(shù)和負(fù)反饋測量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的精確信號(hào)模擬電路，能程控輸出高精度模擬電壓信號(hào)，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，抗噪性能強(qiáng)，有效抑制了信號(hào)產(chǎn)生電路普遍存在的工作點(diǎn)漂移問題，具有一定的借鑒意義。