一種由STC12C2052AD單片機(jī)控制的改進(jìn)型調(diào)壓電路

0 引言

在ZXC10通信電源系統(tǒng)中，上位機(jī)輸出的PWM調(diào)制信號的頻率為1 kHz，而且系統(tǒng)要求電源能根據(jù)PWM信號的占空比進(jìn)行調(diào)壓。即對電源輸出電壓在40 Vdc～60 Vdc范圍內(nèi)通過此PWM信號進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。PWM信號5％占空比對應(yīng)40±0.5 Vdc，95％的占空比對應(yīng)60±0.5 Vdc。以前此功能是用帶有D／A的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)．即把PWM調(diào)制信號輸入單片機(jī)，通過單片機(jī)來計(jì)算PWM信號的占空比，再根據(jù)PWM信號的占空比與輸出電壓的關(guān)系，并通過D／A轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生用于調(diào)節(jié)輸出電壓的偏移量，最后通過此偏移量和電源輸出反饋量的共同作用來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。

1 單片機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)

通過帶有D／A的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。但是，由于帶有D／A的單片機(jī)比較貴，因而會(huì)增加產(chǎn)品成本。而如果把PWM調(diào)制信號的頻率提高，再經(jīng)過一個(gè)簡單的二階有源低通濾波器來產(chǎn)生調(diào)壓偏移量，則可用不帶D／A轉(zhuǎn)換的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，這樣可以大大節(jié)省成本。其改進(jìn)后的電路方框圖如圖2所示。

2 STC12C2052AD的PCA／PWM工作原理

由于STC12C2052AD單片機(jī)是作于1個(gè)時(shí)鐘／機(jī)器周期，且有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，故其速度比普通8051快8～12倍。該單片機(jī)有2路可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)／PWM，其中PCA1模塊用作捕獲模式，可識別輸入的PWM調(diào)制信號，PCA0模塊用作脈寬調(diào)節(jié)模式(PWM)，可實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。此外，由于該單片機(jī)價(jià)格比較便宜，故采用此單片機(jī)作為核心控制芯片。

2.1 STC12C2052AD單片機(jī)的PCA捕獲模式

STC12C2052AD系列單片機(jī)中的PCA可編程計(jì)數(shù)器陣列含有一個(gè)特殊的16位定時(shí)器，它可與2個(gè)16位捕獲／比較模塊相連。每個(gè)模塊可編程工作在4種模式下，即：上升／下降沿捕獲、軟件定時(shí)器、高速輸出或可調(diào)制脈沖輸出。設(shè)計(jì)時(shí)，可將模塊0連接到P3.7(CEX0／PCA0／PWM0)，模塊1連接到P3.5(CEX1／PCA1／PWM1)。由于寄存器CH和CL的內(nèi)容是正在自由遞增計(jì)數(shù)的16位PCA定時(shí)器的值，因此，PCA定時(shí)器可作為2個(gè)模塊的公共時(shí)間基準(zhǔn)，并可通過編程工作在1／12振蕩頻率、1／2振蕩頻率、定時(shí)器0溢出或ECI腳的輸入(P3.4)。定時(shí)器的計(jì)數(shù)源由CMOD SFR的CPS1和CPS0位來確定。

要使PCA模塊工作在圖3所示的捕獲模式，寄存器CCAPMn中的CAPNn和CAPPn至少應(yīng)有一位必須置1。對模塊的外部CEXn輸入(包括CEX0／P3.7、CEX1／P3.5、CEX2／P2.0、CEX3／P2.4口)的跳變進(jìn)行采樣時(shí)，若采樣到有效跳變，其PCA硬件就將PCA計(jì)數(shù)器陣列寄存器(CH和CL)的值裝載到模塊的捕獲寄存器中(CCAPnL和CCAPnH)。

2.2 STC12C2052AD的PCA脈寬調(diào)節(jié)模式

所有PCA模塊都可按圖4所示的工作模式用作PWM輸出。其輸出頻率取決于PCA定時(shí)器的時(shí)鐘源。由于所有模塊均共用僅有的PCA定時(shí)器，所以，它們的輸出頻率相同。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器{EPCnL，CCAPnL}有關(guān)。當(dāng)CL SFR的值小于{EPCnL，CCAPhL}時(shí)，輸出為低，而當(dāng)PCA CLSFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}時(shí)，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時(shí)，{EPCnH，CCAPnH}的內(nèi)容將被裝載到{EPCnL，CCAPnL}中。這樣就可實(shí)現(xiàn)無干擾地更新PWM。使能PWM模式時(shí)，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。由于PWM是8位的，所以可用下式來計(jì)算PWM的信號頻率：

3 PWM信號的接收與轉(zhuǎn)換

3.1 PWM調(diào)制信號接收模塊

由于要用PCA1模塊來把上位機(jī)輸出的頻率為1 kHz的PWM調(diào)制信號的頻率提高(因?yàn)轭l率越高，越容易濾波)，故將PCA定時(shí)器的時(shí)間基準(zhǔn)置為1／2振蕩頻率。用PCA1 (P3.7)模塊來識別接收的PWM調(diào)制信號時(shí)，應(yīng)使PCA1工作在上升／下降沿捕獲工作模式，并打開PCA中斷。設(shè)計(jì)時(shí)，可首先設(shè)置PCA1工作在上升沿捕獲工作模式，這樣，當(dāng)P3.7腳采樣到上升沿跳變時(shí)，PCA0模塊即可將PCA計(jì)數(shù)器陣列寄存器CH和CL的值裝載到模塊的捕獲寄存器中{CCAP1H,CCAP1L}。然后在中斷中把{CCAP1H,CCAP1L}的值存放到自定義的數(shù)據(jù)單元{UP_DATAH，UP_DATAL}中，并在中斷中把PCA1工作模式設(shè)置為下降沿捕獲工作模式，從而在P3.7腳采樣到下降沿跳變時(shí)，PCA1模塊硬件就可將PCA計(jì)數(shù)器陣列寄存器{CH，CL)的值裝載到模塊的捕獲寄存器中{CCAP1H,CCAP1L}。之后，再在中斷中把{CCAP1H,CCAP1L}的值存放在數(shù)據(jù)單元{DOWN_DATAH，DOWN_DATAL}中，并利用雙字節(jié)無符號數(shù)減法得出PWM調(diào)制信號正脈沖時(shí)定時(shí)器的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為：

N1={DOWN_DATAH，DOWN_DATAL)-{DOWN_DATAH，DOWN_DATAL}

由于PWM調(diào)制信號的頻率為1 kHz，周期T為1 ms。因此，可設(shè)1 ms中PCA定時(shí)器的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為N2，則PWM調(diào)制信號的占空比為：

3.2 PWM調(diào)制信號的頻率轉(zhuǎn)換

上位機(jī)輸出的PWM調(diào)制信號的頻率為1 kHz左右。由于該頻率比較低，直接對其進(jìn)行濾波后的紋波比較大，因此，在濾波之前，應(yīng)先把接收的PWM調(diào)制信號轉(zhuǎn)變成與占空比成線性比例的高頻PWM調(diào)制信號，頻率轉(zhuǎn)換可通過PCA0 (P3.5)PWM功能模塊來實(shí)現(xiàn)。由于選擇的晶振為20MHz，故可選Fosc／2為PCA／PWM時(shí)鐘輸入源，這樣，其PWM的頻率為39.062 kHz。

這樣，當(dāng)PCA0模塊設(shè)置為PWM輸出模式時(shí)，根據(jù)PCA脈寬調(diào)節(jié)模式(PWM)的工作原理，當(dāng)CCAP0L=FFH時(shí)，P3.5將輸出占空比為0的PWM信號，而當(dāng)CCAP0L=80H時(shí)，P3.5則輸出占空比為50％的PWM信號，當(dāng)CCAP0L=0時(shí)，P3.5會(huì)輸出占空比為100％的PWM信號。這樣，由PCA脈寬調(diào)節(jié)模式(PWM)的工作原理可得：

這樣，通過上式即可把頻率為1 kHz的PWM信號轉(zhuǎn)換為頻率為39.062 kHz的PWM信號，其轉(zhuǎn)換后的PWM占空比與原來的1 kHz的PWM信號成線性比例關(guān)系。

4 二階濾波電路

圖5所示為有源二階濾波電路的原理圖。由有電源變換器的反饋量可知，當(dāng)調(diào)壓偏移量為1.5V的時(shí)候，電源輸出40 V；當(dāng)調(diào)壓偏移量為3.0V的時(shí)候，電源輸出60 V。因此，在PWM信號的占空比為5％時(shí)，調(diào)節(jié)二階有源濾波器的參數(shù)，并通過調(diào)節(jié)R5／R4來改變運(yùn)算放大器的增益，然后調(diào)節(jié)RW1即可改變運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)，使偏移量VS為1.5 V；而在PWM信號占空比為95％時(shí)，使偏移量VS為3.0 V。這樣就可使PWM信號的占空比在5％～95％之間變化，從而使變換器的輸出電壓在40 Vdc～60 Vdc范圍內(nèi)線性變化。

5 仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖5進(jìn)行PSIM仿真驗(yàn)證時(shí)，可將仿真參數(shù)設(shè)定為：R1=R2=R4=R5=10 kΩ，R3=20 kΩ，R6=2 kΩ，R7=1 kΩ，C1=C2=C3=C4=104 pF，從而得出如圖6所示的特定占空比的Vs波形。

其它特定占空比(D=5％，20％，40％，60％，80％，95％)的仿真記錄數(shù)據(jù)如表1所列。圖7所示是該調(diào)壓電路的PWM信號占空比與Vs調(diào)壓偏移量的變化曲線。由圖可見，該變化呈線性關(guān)系。

6 結(jié)束語

本文通過提高PWM調(diào)制信號的頻率，再結(jié)合二階有源濾波電路，實(shí)現(xiàn)了頻率到電壓的一種轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換可在40Vdc～60Vdc范圍內(nèi)，對ZXC10通信電源的輸出電壓通過PWM信號進(jìn)行線性調(diào)節(jié)，這種方法可以避免使用較貴的D／A轉(zhuǎn)換模塊，因而可以節(jié)省成本。同時(shí)也提高了該電源的工程使用價(jià)值。