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基于C8051F410的信號模擬電路設計

作者： 時間：2016-11-25 來源：網(wǎng)絡 收藏
　　為了實現(xiàn)對發(fā)射裝置的自動測試。所有利用微機技術設計新型的檢測儀。以CPU模塊為核心，通過程序控制D/A轉換器來產(chǎn)生三組精確在不同的時段取18個不同的直流電壓值的直流電壓信號，簡化了設計，降低了成本，實現(xiàn)了測試步驟的自動切換。但是以此設計的在檢測儀的使用過程中會經(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后再對該裝備進行測試時結果良好。后經(jīng)分析．認為主要是檢測儀中產(chǎn)生這三組精確信號的模擬電路存在工作點漂移問題，精度不高。電壓輸出不穩(wěn)定，從而導致測試狀態(tài)不正確。

為了解決這個問題，基于C8051F410單片機，并采用PWM調(diào)制技術和負反饋測量技術設計了一種新的精確信號模擬電路，以達到有效抑制工作點漂移問題，并提高模擬電路輸出精度．從而實現(xiàn)解決裝備維護使用工作中存在的實際問題。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201611/321510.htm


　　1 電路結構及原理
　　電路設計采用了閉環(huán)控制結構，如圖l所示。以C8051F410單片機為核心，通過程序設定需要輸出電壓的初始參數(shù)，控制單片機內(nèi)部的PCA(可編程計數(shù)器陣列)產(chǎn)生適當?shù)腜WM波形，C805IF410芯片的可編程計數(shù)器陣列由一個專用的16位計數(shù)器/定時器和3個16位捕捉/比較模塊組成，經(jīng)二級信號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。為了抑制工作點漂移并保證足夠的輸出精度，通過將輸出信號經(jīng)分壓后引回至C8051F410單片機，利用單片機內(nèi)部的數(shù)/模轉換器測量該電壓，并與初始設定參數(shù)相比較，最終經(jīng)由程序調(diào)節(jié)PWM波形的占空比，從而實現(xiàn)具有高可靠性和較高精度的直流電壓輸出信號。
電路利用單片機的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。所以要求單片機必須具有ADC端口和PWM端口這兩個必需條件，ADC的位數(shù)要求盡量高，單片機的工作速度要求盡量快。經(jīng)選型發(fā)現(xiàn)，C8051F410單片機處理器最高運行時鐘可達50MHz，具有6個PCM模塊，可實現(xiàn)PWM輸出；具有1個12位ADC模塊，滿足電壓測量精度要求。

2 硬件設計

整個電路以C805IF410單片機為核心，主要包括C8051F410單片機的外圍電路設計、放大電路設計以及電壓反饋測量前置電路設計三個部分。如圖2所示。

C805IF410單片機有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I/O引腳使用。輸出一路精確模擬信號，需要設置—個引腳作為PWM輸出口，一個作為ADC輸入口。在這里，我們設置PO.1為PWM輸出口，P0.2為ADC輸人口。
　　外圍電路設計包括在線調(diào)試和下載電路、外部參考電壓電路和濾波電路。本文利用單片機提供的C2調(diào)試接口設計了在線調(diào)試和下載電路．如圖2左上側電路所示．通過計算機串口實現(xiàn)單片機的快速編程和系統(tǒng)在線調(diào)試。圖2下右側為外部參考電壓電路璉接到單片機的Vref引腳．為單片機ADC等模塊提供2．048伏電壓參考．可通過電位器進行調(diào)校。

　　放大電路包括二級電壓放大電路和推挽式功率輸出電路兩個部分．如圖2右側電路所示。
　　電壓反饋測量前置電路如圖2右側上部所示，實質為分壓電路。由于設定C8051F410單片機參考電壓為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 軟件設計

　　運用c語言編程來實現(xiàn)PWM控制，并利用C8051F410芯片的可編程計數(shù)器陣列組成PWM發(fā)生器。捕捉/比較模塊有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM和16位PWM。每個捕捉/比較模塊的丁作方式都可以被獨立配置。對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現(xiàn)的．主要有以下幾個：

　1) PCAOMD可編程計數(shù)器陣列方式寄存器。該寄存器用于設置可編程計數(shù)器陣列的工作模式及時鐘源。

2) PCAOCN可編程計數(shù)器陣列控制寄存器。該寄存器包括溢出標志、運行控制標志以及捕捉/比較標志。

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

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

如圖3所示，本電路主要利用PCA模塊2來產(chǎn)生PWM波形。初始設置PCAOCN為0x40，置位PCA模塊2捕捉/比較標志，在發(fā)生一次捕捉時該位由硬件置位，該位置‘1’將導致CPU轉向PCA中斷服務程序。初始設置PCAOMD為0x08．PCA計數(shù)器，定時器時鐘選擇系統(tǒng)時鐘。初始設置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時設定。

具體實現(xiàn)方法與步驟如下：

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

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

　　3)調(diào)整PWM參數(shù)：把設定的輸出電壓與實際讀取到的輸出電壓進行比較．若實際電壓值偏小，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。合理采用算術平均法等數(shù)字濾波技術。

　　4 結論

　　基于C8051F410單片機，采用PWM調(diào)制技術和負反饋測量技術設計了一種新的精確信號模擬電路,克服了原電路因工作點不穩(wěn)定的問題。經(jīng)實驗驗證，榆測設備重測合格的現(xiàn)象不再出現(xiàn)。本電路從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換，抗噪性能強，工作穩(wěn)定，具有較高的輸出精度，對于同類電路的設計具有一定的借鑒意義。

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