pwm波信號發(fā)生器

1、電子技術(shù)綜合訓(xùn)練設(shè)計報告題目：PWM信號發(fā)生器的設(shè)計姓名： 學(xué)號： 班級： 同組成員： 指導(dǎo)教師： 日期： 摘要本次課程設(shè)是基于TTL系列芯片的簡易PWM信號發(fā)生器,PWM信號發(fā)生器應(yīng)用所學(xué)的數(shù)字電路和模擬電路的知識進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計過程中，所有電路仿真均基于Multisim10仿真軟件。本課程設(shè)計介紹了PWM信號發(fā)生器的設(shè)計方案及其基本原理，并著重介紹了PWM信號發(fā)生器各單元電路的設(shè)計思路，原理及仿真，整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。設(shè)計共有三大組成部分：一是原理電路的設(shè)計，本部分詳細(xì)講解了電路的理論實現(xiàn)，是關(guān)鍵部分；二是性能測試，這部分用于測試設(shè)計是否符合任務(wù)要求。三是是對本次課程

2、設(shè)計的總結(jié)。關(guān)鍵字：目錄1 設(shè)計任務(wù)和要求? 1.1設(shè)計任務(wù)? 1.2設(shè)計要求.?2 系統(tǒng)設(shè)計? 2.1系統(tǒng)要求.? 2.2方案設(shè)計? 2.3系統(tǒng)工作原理.?3 單元電路設(shè)計? 3.1 單元電路A(單元電路的名稱) ? 3.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理? 3.1.2電路仿真?3.1.3元器件的選擇及參數(shù)確定? 3.2單元電路B(單元電路的名稱) ? 3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 ? 3.2.2電路仿真?3.2.3元器件的選擇及參數(shù)確定.? 4 系統(tǒng)仿真?.5 電路安裝、調(diào)試與測試? 5.1電路安裝? 5.2電路調(diào)試? 5.3系統(tǒng)功能及性能測試? 5.3.1測試方法設(shè)計?5.3.2測試結(jié)果及分析?6

3、 結(jié)論?7 參考文獻(xiàn)?8 總結(jié)、體會和建議 附錄1、 設(shè)計任務(wù)和要求1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計具有死區(qū)時間的PWM信號產(chǎn)生的電子線路，并且設(shè)計數(shù)碼顯示電路，實時顯示PWM信號的頻率。1.2設(shè)計要求脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效的技術(shù)，因為設(shè)計是基于模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的，所以設(shè)計時應(yīng)該考慮進(jìn)各個器件的適用范圍。設(shè)計雙輸出PWM電路，兩路輸出互相反相，并且第一路的上升沿總比第二路的下降沿延遲5微秒（死區(qū)時間）。頻率測量電路需要考慮測量精度以及分辨率。最后線路經(jīng)過放大隔離后輸出。2、系統(tǒng)設(shè)計2.1 系統(tǒng)要求PWM信號發(fā)生器包括兩部分:PWM信號發(fā)生部分和頻率測量部分

4、。2.2方案設(shè)計PWM信號發(fā)生部分直流電機調(diào)速中廣泛使用PWM方式，設(shè)該脈沖的頻率為1000Hz，脈沖的寬度（占空比）由輸入的直流參考電壓大小決定，范圍為0%100%。PWM波常用鋸齒波和參考電壓相比較的方式，或者是直接用由555電路構(gòu)成的多謝振蕩器產(chǎn)生。 鋸齒波產(chǎn)生電路包括同相輸入遲滯比較器和充放電時間常數(shù)不等的積分器兩部分，輸出的鋸齒波和比較電壓同時輸入遲滯比較器便可得到寬度可調(diào)的鋸齒波，此為模擬電路產(chǎn)生PWM。用555組成占空比連續(xù)可調(diào)的多謝振蕩器如圖1-1-1。 圖111調(diào)節(jié)圖中的可變電阻，就可以控制產(chǎn)生脈沖的占空比。對比兩種方案，一種是由模擬電路的方法產(chǎn)生pwm，另一種是由數(shù)電方法產(chǎn)

5、生pwm。先然后一種方法比較簡便可行，而且電壓幅值可控。頻率測量部分信號的頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其表達(dá)式為f=N/T，其中f為被測信號的頻率，N為計數(shù)器所累計的脈沖個數(shù)，T為產(chǎn)生N個脈沖所需的時間。計數(shù)器所記錄的結(jié)果，就是被測信號的頻率。如在1s內(nèi)記錄1000個脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。測量頻率的基本方法有兩種：計數(shù)法和計時法，或稱測頻法和測周期法。 1、計數(shù)法計數(shù)法是將被測信號通過一個定時閘門加到計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)的方法，如果閘門打開的時間為T，計數(shù)器得到的計數(shù)值為N1，則被測頻率為f=N1/T。改變時間T，則可改變測量頻率范圍。如圖（1-1-1） 圖 1-1-1

6、 測頻法測量原理 設(shè)在T期間，計數(shù)器的精確計數(shù)值應(yīng)為N,根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)特性可知，N1的絕對誤差是N1=N+1,N1的相對誤差為N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相對誤差可知，N的數(shù)值愈大，相對誤差愈小，成反比關(guān)系。因此，在f以確定的條件下，為減少N的相對誤差，可通過增大T的方法來降低測量誤差。當(dāng)T為某確定值時（通常取1s），則有f1=N1,而f=N，故有f1的相對誤差：f1=(f1-f)/f=1/f從上式可知f1的相對誤差與f成反比關(guān)系，即信號頻率越高，誤差越?。欢盘栴l率越低，則測量誤差越大。因此測頻法適合用于對高頻信號的測量，頻率越高，測量精度也越高。2、計時法 計時法又稱為測周期

7、法，測周期法使用被測信號來控制閘門的開閉，而將標(biāo)準(zhǔn)時基脈沖通過閘門加到計數(shù)器，閘門在外信號的一個周期內(nèi)打開，這樣計數(shù)器得到的計數(shù)值就是標(biāo)準(zhǔn)時基脈沖外信號的周期值，然后求周期值的倒數(shù)，就得到所測頻率值。 首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電平時間是一個信號周期T的方波信號；然后用一個一直周期T1的高頻方波信號作為計數(shù)脈沖，在一個信號周期T的時間內(nèi)對T1信號進(jìn)行計數(shù)，如圖（1-1-2） 圖 1-1-2 計時法測量原理若在T時間內(nèi)的計數(shù)值為N2,則有：T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2 N2的絕對誤差為N2=N+1N2的相對誤差為N2=(N2-N)/N=1/NT2的相

8、對誤差為T2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1從T2的相對誤差可以看出，周期測量的誤差與信號頻率成正比，而與高頻標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)信號的頻率成反比。當(dāng)f1為常數(shù)時，被測信號頻率越低，誤差越小，測量精度也就越高。 根據(jù)本設(shè)計要求的性能與技術(shù)指標(biāo)，首先需要確定能滿足這些指標(biāo)的頻率測量方法。由上述頻率測量原理與方法的討論可知，計時法適合于對低頻信號的測量，而計數(shù)法則適合于對較高頻信號的測量。但由于用計時法所獲得的信號周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運算才能得到信號頻率，而求倒數(shù)運算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路較難實現(xiàn)，因此，計時法不適合本實驗要求。測頻法的測量誤差與信號頻率成反比，信號頻率越低，測量誤差就越

9、大，信號頻率越高，其誤差就越小。但用測頻法所獲得的測量數(shù)據(jù)，在閘門時間為一秒時，不需要進(jìn)行任何換算，計數(shù)器所計數(shù)據(jù)就是信號頻率。因此，本實驗所用的頻率測量方法是測頻法。2.3系統(tǒng)工作原理3、單元電路設(shè)計3.1PWM信號發(fā)生 3.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理如圖，由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號。對C充電時，充電電流通過R1和D1；放電時，通過R2、D2。當(dāng)R1=R2時，可調(diào)電阻觸頭位于中心點，因充放電時間基本相等，其占空比約為50%，此時調(diào)節(jié)電阻，可調(diào)節(jié)多謝振蕩器的占空比。另外，調(diào)節(jié)R1和R2還可以改

10、變輸出矩形波的周期和頻率。輸出的時間參數(shù)如下： 周期T=Tw1+Tw2；振蕩頻率f=1/T=1/(T1+T2)=1.44(R1+R2)C,式中：Tw1=0.7（R1+R2）C;Tw2=0.7R2C。 占空比q=Tw1/(Tw1+Tw2)，當(dāng)R2>>R1,占空比近似為50%。通過計算，取三個電阻都為5k，C1=100nF，C2=10nF，使得輸出頻率f=1000Hz。3.1.2電路仿真3.2制造死區(qū)時間3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理如圖所示是用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的脈沖展寬器的電路和工作波形圖。在圖a中所示電路中，當(dāng)輸入電壓u1為低電平UIL時，集電極開路門輸出三極管是截止的，施密特觸發(fā)反

11、相器的輸入特性，可以保證A點電位uA為高電平，因此輸出電壓u0為低電平UOL。當(dāng)ui條編導(dǎo)高電平UIH時，三極管飽和導(dǎo)通，電容C迅速放電，uA很快下降到低電平，uO跳變到高電平UOH。當(dāng)uI由UIH跳變到UIL時，三極管截止，電源Vcc通過施密特觸發(fā)器反相器的輸入端電路對電容C充電，uA緩慢上升，當(dāng)uA升高到UT+時，UO才會由UOH跳變到UOL。因此，輸出電壓UO的脈沖展寬，比輸入電壓u1的脈沖寬度顯然要寬，而且改變電容C的大小，可方便地調(diào)節(jié)展寬的程度。圖b是uI、uA、uO的波形圖。3.2.2電路仿真3.3頻率計3.3.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理頻率計由時基電路，控制電路組成1時基電路 由兩部分

12、組成，第一部分為由石英晶體組成的多諧振蕩器電路；第二部分為分頻電路。（1）石英晶體多諧振蕩器電路石英晶體一種具有較高頻率穩(wěn)定性的選頻器件，廣泛用于通信、定時等頻率要求高的場合，石英晶體的諧振頻率由石英晶體的晶體方向和外形尺寸決定，具有極高的穩(wěn)定性。由于頻率計數(shù)器是一種需要頻率穩(wěn)定性高的器件，故此方案選用石英晶體多諧振蕩器。如圖（2-3-1）所示100HZ9999HZ 閘門時間 10ms；1KHZ100KHZ 閘門時間 1ms取c=10uf(1F（法）=103mF（毫法）=106uF（微法）=109nF（納法）=1012pF（皮法）所以：1uF（微法）=103nF（納法）=106pF（皮法）最基

13、本的關(guān)系)圖 2-3-1矩形周期的振蕩周期為 T1.4RfC 當(dāng)取Rf=1k，C=100pF100F時，則該電路的振蕩頻率則在幾赫到幾兆赫的頻率范圍內(nèi)變化。在此選C=10nf的電容及固有頻率為10kHZ的石英晶體。（2）分頻電路振蕩器產(chǎn)生10khz的脈沖，閘門時間為1s 0.1s 1ms 10ms選用4518x4作為分頻電路。4518為雙BCD加計數(shù)器，由兩個相同的同步4級計數(shù)器構(gòu)成，計數(shù)器級為D型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)，在單個運算中，EN輸入保持高電平，且在CP上升沿進(jìn)位，CR線為高電平時清零。計數(shù)器在脈動模式可級聯(lián)，通過將Q³連接至下一

14、計數(shù)器的EN輸入端可實現(xiàn)級聯(lián)，同時后者的CP輸入保持低電平。分頻電路如圖（2-3-2）所示 圖 2-3-2 分頻電路 2控制電路 控制電路需要控制幾個模塊。包括計數(shù)電路，鎖存電路，和譯碼顯示電路。通過產(chǎn)生控制信號控制所要控制的模塊，同時會產(chǎn)生清零信號和鎖存信號，使顯示器顯示的測量結(jié)果穩(wěn)定。（1）計數(shù)電路 采用3個74LS192十進(jìn)制計數(shù)器，該芯片無需額外的元器件就可實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)，所以首選。計數(shù)器依次從個位開始計數(shù)，向上為發(fā)出進(jìn)位信號而是高位開始計數(shù)。（2）鎖存電路 在確定的時間內(nèi)（1s）,計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值.鎖存器的作用通過觸發(fā)脈沖控制.將測得的數(shù)據(jù)寄存起來,送顯示譯碼器.鎖存器可以采用4位并行輸入寄存器.為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定,采用邊沿觸發(fā)方式的器件. 選用3個4位鎖存器74LS175完成上述功能.當(dāng)鎖存信號CP的正跳變來到時,鎖存的輸出等于輸入,從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端,.高電平結(jié)束后,無論D是何值,輸出端狀態(tài)保持不變,所在計數(shù)期間內(nèi),計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。(3)譯碼電路 采用4511BD集成