一种基于FPGA的PWM脉冲发生器设计

设计开发　一种基于ＭＣＳ一５　１单片机　的数字可调脉冲发生器的设计实现　高敏　（江苏商贸职业学院江苏南通２２６０１１）　Ｉ数目啦术　Ｉ与应用　

摘要：脉冲发生器在自动化控制领域有着非常广泛的应用，而传统的脉冲发生器操作复杂且造价较高，并且精确度不能够保证，本￣１７Ｊ，ＭＣＳ一５１单　片机为基础设计出了一种可调式的数字脉冲发生器，对幅值、频率和输出宽度进行调整且输出精度高，不需要人工调节自动化程度较高。可以应用在　很多实用到脉冲发生器的场合，并且造价较为低廉。为可调式脉冲发生器的设计与应用提供可具体实践的技术解决方案。　关键词：可调式数字脉冲发生器ＭＣＳ一５１　ＡＤＣ０８０９　ＬＥＤ显示器　中图分类号：ＴＮ７８２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—９４１６（２０１６）０８—０２０４—０１　１引言　可调式的脉冲发生器在各个领域中的自动化仪器控制过程中　具有十分广泛的应用，比如在速度控制过程中经常用的步进电机的　控制，步进电机可以利用脉冲调制技术来为自身提供适量的脉冲，　从而实现对于控制角度与速度的控制。一股隋况脉冲信号发生器都　是通过定时器来进行控制的，利用电位器对幅值和频率进行调整。　但是电位器的对频率和幅值调控不是很精确，而利用单片机对数字　可调的脉冲发生器进行控制能够获得较好的效果。本文结合数字电　位器，来代替以往精度不高的机械式的电位器，利用５１单片机进行　控制，进而可以试点数字脉冲器的幅度、频率和宽度是可调的。　２系统需求分析与总体设计　本文利用５１单片机来实现数字可调式脉冲器的设计与实现，系　统的设计主要包括系统的硬件设计以及软件设计两个部分，硬件部　分包括单片机、脉冲发生器、ＡＤ转换器、ＬＥＤ显示模块；软件部分主　要是单片机对外围各个模块电路的控制实现脉冲信号的产生、转换　以及显示灯。本文所设计的系统主要是利用单片机控制脉冲发生器　产生脉冲，利用可调式的数字电位器的控制实现对脉冲的幅值、频　率以及宽度的控制。本文利用５１单片机以及ＡＤＣ模数转换器来实现　产生数字脉冲信号，并由ＬＥＤ液晶显示。　３系统硬件设计　控制电路主要由以下部分组成：单片机定时器以及ＩＯ口组成了　脉冲发生器，这是脉冲发生器的主要组成部分；将键盘作为一种可　调式的交互式的设备；脉冲参数信息可以通过ＬＥＤ进行显示；可以　通过单片机控制作品在１０引脚输出相应的高低电平，可以产生方波　信号；可以十分方便的输出脉冲，编写程序使单片机某一Ｉ／Ｏ执　行高低电平输出，产生方波脉冲输出；可以利用对数字电位器的控　制实现对脉冲信号的幅值的控制；利用Ａ／Ｄ模数转换器将输出的脉　冲进行采集会送到单片机中；单片机对外围电路之间的通信是通过　Ｉ２Ｃ总线进行通信的。存储器可以存储脉冲参数的信息，单片机可以　读取该信息并可进行显示。　３．１单片机选型　本系统使用的是ＭＣＳ－５ｌ单片机作为系统的控制核心，数字电　位器选择是ＭＣＰ４５６１，选择的是８位的８个通道的ＡＤＣ０８０９模数转换　器，通过单片机输出高低电平能够较为方便的阐述一定宽度的脉　冲，脉冲的宽度和频率是通过定时从单片机的引脚上输出高低电平　来实现　然而所选的单片机由于１０资源是有限的，因而要实现对所　有用到的外围电路的控制，译码器以及地址锁存器是必须的。本文　所选择的地址锁存器为７４ＨＣ１３８，能够较好的利用单片机有效的引　脚资源。系统选择的译码器为７４ＨＣ３７３，并且可以利用ＬＥＤ显示脉　冲的参数。　３．２脉冲发生器设计　ＭＣＰ３４０６３数字电位器可以通过单片机的数字信号来对输出的　阻值进行控制，通过对电位器的控制进而控制输出的电压　与传统　的机械式的电位器相比具有控制简单受操作影响较小精度高等特　点，通过单片机与数字电位器的连接不仅能够达到较高的输出阻值　的精度，还能够实现阻值调整的自动化进行不需要人工的参与。数　字电位器不仅可以作为变阻器使用还可以作为电位器来使用。因为　本文主要使用的是电阻器，因而将数字电位器作为电阻器来使用，　按照电阻器接线的方式来进行硬件的连接。数字电位器与单片机之　间的连接是通过Ｉ　Ｃ总线。通过对电阻器的调节就能够调节输出电压　的幅值。但是一般情况下单片机的Ｉ／０Ｅｌ所能够输出的电压幅值十　分有限，输出电流值的大小也十分有效，因而一般采用连接运算放　大电路的形式，来对脉冲信号进行放大。本系统所选择的运算放大　器为ＬＭ２９０４通过计算能够在满足输出电压幅值的情况下不失真。　３．３　Ａ／Ｄ转换模块选型　由于系统所要处理的信号为多路的模拟信号，本系统选择了８　位８路的ＡＤＣ０８０９　Ａ／Ｄ。ＡＤＣ０８０９是一种ＣＭＯＳ电平器件。采用的　是逐次逼近的算法来对电压进行转换，在Ａ／Ｄ内部有８路的模拟开　关，因而可以对８路的模拟信号进行转换，一次转换的时间大约为　１０Ｏ微秒。另外其输出还有吼三态锁存器，转换之后数据的输出是　直接和单片机的Ｐ１．０－Ｐ１．７七个引脚相连的；地址线的连接通道中　的Ａ、Ｂ、Ｃ是直接和单片机地址线中的Ａ２、Ａ１、ＡＯ依次连接，三位地　址线正好可以选择ＡＤＣ中８个通道中的任意一个通道；将ＡＤＣ０８０９　的ＡＬＥ与ＳＴＡＲＴ相互连接，那么地址线上输出信号经过锁存器　之后就开始进行转换。ＡＤＣ０８０９不存在片选端，因而只￣ｃＳＴＡＲＴ信　号是有效的那么ＡＤＣ０８０９就是开始转换。为了能够对转换进行有效　的控制，在系统设计的过程中将单片机的最高位的地址线作为片选　信号。ＡＤＣ０８０９地址的锁存以及启动转换控制是由片选信号线与　ＷＲ信号来综合控制的，三态输出锁存器是由ＯＥ片选以及片选信号　线和ＲＤ段来进行控制，最终可以获取Ａ／Ｄ的信号转换的结果。通过　中断控制可以在转换结束之后及时获取ＡＤＣＤ的转换结果。单片机　…一・下转第２０６页　收稿日期：２０１６—０５—１５　作者简介：高敏（１９８ｏ－－），女，江苏南通人，硕士，讲师，主要从事应用电子技术研究及教学。

PWM信号发生电路

1.PWM信号概述

脉冲宽度调制(PWM)信号广泛使用在电力变流技术中,以其作为控制信号可完成DC-DC变换(开关电源)、DC-AC变换(逆变电源)、AC-AC变换(斩控调压)与AC-DC变换(功率因数校正)。

产生PWM信号的方法有多种,现分别论述如下:

1)普通电子元件构成PWM发生器电路

基本原理就是由三角波或锯齿波发生器产生高频调制波,经比较器产生PWM信号。三角波或锯齿波与可调直流电压比较,产生可调占空比PWM信号;与正弦基波比较,产生占空比按正弦规律变化的SPWM信号。

此方法优点就是成本低、各环节波形与电压值可观测、易于扩展应用电路等。

缺点就是电路集成度低,不利于产品化。

2)单片机自动生成PWM信号

基本原理就是由单片机内部集成PWM发生器模块在程序控制下产生PWM信号。

优点就是电路简单、便于程序控制。缺点就是不利于学生观测PWM产生过程,闭环控制复杂与使用时受单片机性能制约。

3)可编程逻辑器件编程产生PWM信号

基本原理就是以复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程门阵列器件(FPGA)为硬件基础,设计专用程序产生PWM信号。

优点就是电路简单、PWM频率与占空比定量准确。缺点就是闭环控制复杂,产生SPWM信号难度大。

4)专用芯片产生PWM信号

就是生产厂家设计、生产的特定功能芯片。

优点就是使用方便、安全,便于应用到产品设计中。缺点就是不利于学生观测PWM产生过程与灵活调节各项参数。

2.电子元件构成PWM发生器电路 PWM信号发生电路

D15.1KR1100KR210KR31000pFCVCCVCCVC(12V)VEEVE(-12V)VEE85326741AD811U44.5mHL1KRL10KRp_1VCC(5V)VCC(5V)VEE(-5V)Vo_385326741LM741CNU185326741LM741CNU285326741LM741CNU3Vo_1GNDVo_210uFCVo_sin_A

基于FPGA的自治型SPWM波形发生器的设计

正弦脉宽调制（SPWM）手艺在以电压源逆变电路为焦点的电力电子装配中有着普遍的应用,若何发生SPWM脉冲序列及其实现手段是PWM手艺的关头。操作模拟斗劲法,对三角载波与正弦调制波进行斗劲,即可发生SPWM脉冲;操作数字算法和按时逻辑,也可发生SPWM脉冲［5］。今朝已有多种微措置器芯片（如80C196MC、TMS320F240等）自己集成稀有字化PWM发生电路［3］。模拟体例简单直不美观,但与数字节制孀居口未便,难以知足复杂要求;数字体例结构矫捷,尤

正弦脉宽调制（SPWM）手艺在以电压源逆变电路为焦点的电力电子装配中有着普遍的应用,若何发生SPWM脉冲序列及其实现手段是PWM手艺的关头。操作模拟斗劲法,对三角载波与正弦调制波进行斗劲,即可发生SPWM脉冲;操作数字算法和按时逻辑,也可发生SPWM脉冲［5］。今朝已有多种微措置器芯片（如80C196MC、TMS320F240等）自己集成稀有字化PWM发生电路［3］。模拟体例简单直不美观,但与数字节制孀居口未便,难以知足复杂要求;数字体例结构矫捷,尤其是微措置器内置了PWM发生器的,使用加倍便利。凡是状况下,微措置器经由过程按时刻断处事轨范发生SPWM脉冲,在每个载波周期必需进行间断措置,对措置速度要求较高,年夜而也限制了载波频率进一步的提高,同时微措置器的措置使命也加倍繁重。文献［1］指出,微措置器中不确定的间断响应会导致PWM脉冲的相位股栗。

FPGA以其靠得住性高、功耗低、保密性强等特点,在电子产物设计中获得普遍的应用。文献［1］～［5］也阐述了FPGA或CPLD在PWM脉冲发生时刻的计较仍由微措置器来完成,现实上微措置器的使命仍然繁重。作者针对静止抵偿器（STATCOM）对SPWM脉冲发生器的特定要求,采用Altera公司的FLEX10K10芯片开发了一种专用SPWM波形发生器,微措置器只需在需要时改变逆变器PWM调制深度 即可,其余工作全由FPGA完成,年夜而年夜年夜减轻了CPU的承担。

第２４卷第３期　２０１３年６月　中原工学院学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＺＨＯＮＧＹＵＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．，２０１３　

文章编号：１６７１—６９０６（２０１３）０３—０００５—０４　

基于ＦＰＧＡ直流压缩机的ＰＷＭ控制器设计　

董秀洁，李俊　

（中原工学院，郑州４５０００７）　

摘要：提出了一种以ＦＰＧＡ芯片作为电动汽车空调压缩机变频调速控制器的方案，介绍了基于ＦＰＧＡ的ＰＷＭ控　制器的实现原理及ＶＨＤＬ的实现方法．该控制器能产生占空比为ｌＯ　～ｌＤＯ％的可调的ＰＷＭ控制信号，控制压缩机电　

机的频率变化，从而达到对制冷量调节的目的．运行结果表明，该系统控制精度高、可靠性好，具有设计灵活、处理速度　快、抗干扰能力强、可移植性好等特点，可广泛应用于各类直流电机的调速中．　关键词：ＦＰＧＡ；ＰＷＭ；电动压缩机　中图分类号：ＴＭ５７１　文献标志码：　Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—６９０６．２０１３．０３．００２　

ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ—Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ），即现场　

可编程门阵列，它是在ＰＡＬ、ＧＡＬ、ＣＰＬＤ等可编程器　

件的基础上进一步发展的产物．ＦＰＧＡ通常包含３类　

可编程资源，即可编程逻辑功能块、可编程Ｉ／Ｏ块和　

可编程互连．不同厂家生产的ＦＰＧＡ在可编程逻辑块　

的规模、内部互连线的结构和采用的可编程元件上存　

在较大的差异，较常用的有Ａｌｔｅｒａ、Ｘｉｎｌｉｎｘ和Ａｃｔｅｌ　

公司的ＦＰＧＡ．ＦＰＧＡ以其内部资源丰富，外部接口　

多，便于搭建系统，处理速度快等显著特点Ｌ１　］，被广　

泛应用于通信、视频、信息处理等方面．近年来，利用　

ＦＰＧＡ作为控制器的系统也越来越多，而在新能源电　

动汽车上，ＦＰＧＡ作为核心控制器可以满足电动汽车　

对于高速控制系统的要求．本文介绍了一种基于　

ＦＰＧＡ技术的脉宽调制控制器，该控制器专用于纯电