電信班王錦鵬畢業(yè)答辯發(fā)言稿幻燈片

多功能PWM信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SystematicDesignofMulti-purposePWMSignalGenerator

吉林化工學(xué)院信控學(xué)院電信0502班王錦鵬指導(dǎo)教師:劉剛吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文摘要

本文論述了由MSP430F169單片機(jī)系統(tǒng)和PWM信號(hào)發(fā)生電路構(gòu)成的多功能PWM信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。壓控振蕩電路產(chǎn)生的鋸齒波頻率可調(diào)；單片機(jī)發(fā)出的直流電平和基波頻率及基波波形可變。因此，可生成多種功能PWM信號(hào)，而且還可以擴(kuò)展產(chǎn)生三相SPWM信號(hào)。該信號(hào)發(fā)生器可作為全控型電力電子器件的控制信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用于電力變流技術(shù)中。對(duì)于DC-DC開(kāi)關(guān)電源、AC-AC電子調(diào)壓器，發(fā)生器產(chǎn)生的PWM信號(hào)隨控制信號(hào)改變占空比；對(duì)于DC-AC逆變電源產(chǎn)生的PWM信號(hào)占空比按正弦基波變化規(guī)律改變，即SPWM。

關(guān)鍵詞：PWM；MSP430F169；信號(hào)發(fā)生器；三相SPWM

1、產(chǎn)生PWM信號(hào)的方案選擇

經(jīng)過(guò)對(duì)題目的分析，完成設(shè)計(jì)主要在于PWM信號(hào)產(chǎn)生方案的選擇?？紤]選用以下方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：方案一：調(diào)制法，利用模擬電子器件產(chǎn)生高頻三角波或鋸齒波與DC或AC比較產(chǎn)生PWM信號(hào)；方案二：利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)；方案三：利用CPLD或FPGA產(chǎn)生高頻PWM信號(hào)。方案論證：綜合以上三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和制作成本考慮，本次設(shè)計(jì)采用方案一調(diào)制法，利用模擬電子器件產(chǎn)生高頻三角波或鋸齒波與DC或AC比較產(chǎn)生PWM信號(hào)。

2、PWM信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以MSP430F169單片機(jī)為核心，在軟件編程中采用C430語(yǔ)言，采用硬件電路和軟件程序相結(jié)合的方法，產(chǎn)生PWM信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)片內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換模塊與定時(shí)器結(jié)合產(chǎn)生基波，應(yīng)用定時(shí)器技術(shù)通過(guò)控制時(shí)鐘中斷來(lái)更改DAC輸出數(shù)據(jù)，單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出端DAC1輸出直流電壓可控制PWM占空比，發(fā)送直流給開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換，

DAC0輸出交變電壓可產(chǎn)生SPWM信號(hào)，給逆變電源，實(shí)現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，且基波頻率和波形受單片機(jī)控制。本設(shè)計(jì)主要由MSP430F169單片機(jī)電路和PWM信號(hào)發(fā)生器電路兩個(gè)部分構(gòu)成，其中單片機(jī)是控制核心與時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、LCM顯示電路和頻率波形設(shè)定鍵輸入電路構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。以硬件電子元件構(gòu)成PWM信號(hào)發(fā)生電路通過(guò)兩者有機(jī)結(jié)合構(gòu)成多功能PWM信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)。

3、PWM信號(hào)發(fā)生器電路多功能PWM信號(hào)發(fā)生器電路是由五個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，其中U1和U2兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓跟隨器，由單片機(jī)的5腳輸出的正弦信號(hào)(Vo_sin)和由6腳輸出的直流信號(hào)(Vo_DC)輸出至PWM信號(hào)發(fā)生器電路，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)S_1接于1端，輸出PWM信號(hào)占空比由滑動(dòng)變阻器Rp_1手動(dòng)控制；接于2端，占空比由單片機(jī)輸出電壓Vo_DC控制；接于3端，占空比由單片機(jī)輸出電壓Vo_sin控制，產(chǎn)生SPWM信號(hào)。以上各信號(hào)可在Vo1點(diǎn)觀測(cè)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S1打到2時(shí)，輸出的直流信號(hào)(Vo_DC)經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S1輸入到放大器U1的3腳正向輸入端;當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S1打到3時(shí)，輸出的交流電壓Vo_sin經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S1輸入到放大器U1的3腳正向輸入端。其電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是輸入的阻抗大于100MΩ，不從信號(hào)源取電流，不影響可調(diào)電阻的分壓比。其中U3和U4兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成壓控振蕩器，改變Rp_2分壓值可控制Vo2輸出鋸齒波頻率，改變Rp_3分壓值可控制Vo2輸出鋸齒波直流偏移量。壓控振蕩器輸出波形可在Vo2點(diǎn)觀測(cè)。其中的R1，C和U4構(gòu)成了反相積分電路，輸出的電壓隨時(shí)間反相增加，當(dāng)超過(guò)R3，R2和U3構(gòu)成的同相滯回比較器反相閾值電壓時(shí)，其U3的6腳Vo輸出負(fù)最大值，D1導(dǎo)通C放電，同時(shí)U4輸出的為正向階躍，當(dāng)超過(guò)R3，R2和U3構(gòu)成的同相滯回比較器的正向閾值電壓時(shí)，U3輸出為正，D1截止，U4再次進(jìn)入積分過(guò)程。因此U3和U4兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成壓控振蕩器的振蕩頻率受輸入直流正電壓的控制，我們?cè)谠O(shè)計(jì)調(diào)節(jié)Rp_2，來(lái)使輸出鋸齒波為20KHz。U5為高速比較器產(chǎn)生PWM信號(hào)。

當(dāng)多路開(kāi)關(guān)S_2接于1端時(shí)，PWM信號(hào)直接輸出。當(dāng)多路開(kāi)關(guān)S_2接于2端時(shí)，Vo_4輸出的是PWM信號(hào)經(jīng)濾波后的信號(hào)。在進(jìn)行DC_AC逆變時(shí)，由于SPWM波占空比始終處于變化狀態(tài)觀測(cè)困難，用示波器觀測(cè)Vo_4波形不但可觀測(cè)到DC-AC逆變波形效果而且可觀測(cè)到鋸齒波頻率、偏移量對(duì)逆變輸出波形的影響。

4、MSP430F169單片機(jī)簡(jiǎn)介

MSP430F169是TI公司MSP430F系列單片機(jī)中功能較強(qiáng)的芯片。具有60K程序存儲(chǔ)區(qū)、2K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和多種外圍模塊。MSP430F169單片機(jī)為64引腳封裝，48個(gè)數(shù)字I/O，其中大部分引腳有復(fù)用功能。MSP430F169單片機(jī)具有片內(nèi)DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）模塊，可以將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。

MSP430F169單片機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)125ns的指令周期存儲(chǔ)器為60KB+256Bflash，2KB的RAM，芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)支持基本時(shí)鐘模塊，包括支持32768Hz的鐘表晶振一個(gè)內(nèi)部數(shù)字控制的振蕩器和一個(gè)高頻晶體振蕩器，內(nèi)部乘法器操作由專用外圍模塊支持，這個(gè)模塊進(jìn)行16×16，16×8

8×16，8×8位的操作。MSP430F169的管腳共有64個(gè)，在此不一一介紹，只介紹本次設(shè)計(jì)所用到的幾個(gè)管腳功能如表所示：

5、單片機(jī)小系統(tǒng)簡(jiǎn)介

一,時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

MSP430F169單片機(jī)中含有低頻晶體振蕩器和高頻晶體振蕩器低頻晶體振蕩器滿足了低功耗及使用32768Hz晶振的要求。低頻晶振只需要通過(guò)8腳的XIN和9腳的XOUT兩個(gè)引腳連接，高頻晶體振蕩器滿足了使用8MHz晶振的要求。高頻晶振只需要通過(guò)53腳的XT2IN和52腳的XT2OUT兩個(gè)引腳連接，另加兩個(gè)振蕩電容。所有保證時(shí)鐘工作穩(wěn)定的元件都集成在芯片中。

二,復(fù)位電路設(shè)計(jì)

MSP430的復(fù)位信號(hào)有兩種：上電復(fù)位和上電清除信號(hào)。上電復(fù)位信號(hào)只在兩種情況下產(chǎn)生：微處理器上電；管腳被設(shè)置為復(fù)位功能，在此管腳上產(chǎn)生低電平時(shí)使系統(tǒng)復(fù)位。在所使用的單片機(jī)系統(tǒng)中所用的復(fù)位電路如下圖所示，所用的電容為22pF，它的作用是延長(zhǎng)充電的時(shí)間，以使單片機(jī)復(fù)位端以緩慢的速度從低電平到達(dá)高電平。

單片機(jī)小系統(tǒng)電路圖6、MSP430F169片內(nèi)定時(shí)器簡(jiǎn)介

定時(shí)器A具有多種功能，但基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)十六位計(jì)數(shù)器，由時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。定時(shí)器A功能模塊主要包括：1．計(jì)數(shù)器部分：Timer_A可以通過(guò)選擇4種工作模式靈活的完成定時(shí)/計(jì)數(shù)功能。2．捕獲/比較器：用于捕獲事件發(fā)生的時(shí)間或產(chǎn)生時(shí)間間隔。3．輸出單元：具有可選的8種輸出模式。定時(shí)器有四種工作模式：1．停止模式。2．增計(jì)數(shù)模式。3．連續(xù)計(jì)數(shù)模式。4．增/減計(jì)數(shù)模式。定時(shí)器B的使用方法和工作原理均與定時(shí)器A相同，差別主要有兩點(diǎn)：首先是定時(shí)器B中斷優(yōu)先級(jí)別高，因此優(yōu)先處理的事件應(yīng)選此中斷；其次是定時(shí)器B有6個(gè)捕獲/PWM輸出通道，應(yīng)用更靈活。

定時(shí)器A結(jié)構(gòu)原理圖7、DA帳C1多2位模雀塊簡(jiǎn)延介MS內(nèi)P4斤30碑F1級(jí)69單片通機(jī)具漿有片罷內(nèi)DA礙C（數(shù)衫模轉(zhuǎn)狹換）損模塊邁，可浪以將蔬數(shù)字晴量轉(zhuǎn)椅換為苦模擬丸量。MS繞P4擁30構(gòu)F1浮69的DA配C模塊余是12位電臣?jí)狠斆龅挠饠?shù)模競(jìng)轉(zhuǎn)換閑模塊肺（DA淚C1紋2）。芹若選搏用內(nèi)巡壽部2.抖5V參考陽(yáng)電壓渾源，勻當(dāng)輸品入DA椅C1捆2的數(shù)看字量乎從0x鉤0到0x婆FF胃F變化伐時(shí)，萍對(duì)應(yīng)艇的輸鍵出電公壓量踏也就跡從0到2.自5V變化隊(duì)，中杰心偏骨移量1.低25禾V（對(duì)禍應(yīng)數(shù)兇字量80淚0H）；姥最大廳值1.暢25綱V（數(shù)掘字量80布0H）。榆在基篩波發(fā)訂生器女設(shè)計(jì)訊中使場(chǎng)用DA劣C通道哭產(chǎn)生占波形傅。DA純C1涂2模塊漲是一項(xiàng)個(gè)12位的寶，R梯度黃的兩勻通道跑的電弦壓輸券出數(shù)緞模轉(zhuǎn)片換器寧。DA薄C1密2模塊春輸出商兩路12勤bi夸t的DA逆C0和DA爪C1的信岡號(hào)。探單片旗機(jī)數(shù)塑模轉(zhuǎn)小換DA容C1可2模塊埋輸出召端DA針C1輸出艱直流影電壓赤可控柏制PW譯M占空懶比；DA務(wù)C0輸出驅(qū)交變亮電壓嬸可產(chǎn)乎生SP枕WM信號(hào)銳，且壺基波喉頻率密和波者形受鉗到單脈片機(jī)炊控制宗。其中置，F(xiàn)：高巷頻時(shí)松鐘頻運(yùn)率；N1一個(gè)搞周期DA揪C數(shù)據(jù)作分組姥數(shù)；N2產(chǎn)生細(xì)正弦舟波頻且率數(shù)哀。DA叔C1牽2轉(zhuǎn)換棗器產(chǎn)床生正筆弦波神數(shù)據(jù)艘計(jì)算飛公式冒：DA技C輸出喊電壓槐范圍0—志2.省5V（峰—峰值皇），么對(duì)應(yīng)擦輸入若數(shù)字課量范此圍0—俗0F腥FF小H；中冶心軸傭（偏瞞移量惱）對(duì)岔應(yīng)1.另25懷V（數(shù)讀字量80西0H）最下大值1.邁25姓V（數(shù)宮字量80刮0H）。溪若將匠一個(gè)扯正弦溝周期旦分為36個(gè)點(diǎn)鳴，個(gè)洋點(diǎn)對(duì)霜應(yīng)的DA申C輸入胳數(shù)值背計(jì)算執(zhí)公式嫩如下犁：計(jì)算此定時(shí)任器TB認(rèn)CC政R0中斷房誠(chéng)時(shí)間懲常數(shù)DN（PW跟M周期飛）公辟式：其中闊，F(xiàn)：高趨頻時(shí)訴鐘頻仰率；N1一個(gè)迷周期DA吊C數(shù)據(jù)及分組屈數(shù)；N2產(chǎn)生棒正弦墾波頻否率數(shù)受。8、LC榨M1導(dǎo)28掃64液晶崖顯示寨模塊LC禿M1榆28薯64液晶賤顯示外模塊浙是由12清8列64行液漠晶顯滔示點(diǎn)滲陣和凡其控守制電醉路組居成，震整個(gè)越電路盯板外瞎形、蒸尺寸亦如圖資所示擔(dān)。該逮顯示挎模塊老不僅混可以養(yǎng)顯示鏟數(shù)字傳，還耀可以第顯示些漢字喂和圖或形。勵(lì)模塊隊(duì)電路突板下闊端有20個(gè)接盞線引啞腳，豎其中VD散D與VS雷S引腳印是LC側(cè)M1筑28失64液晶袋模塊畜電源城與地朽接入越端，VO莫UT是LC肯M1稍28飲64液晶埋模塊虹自生誦成負(fù)杜電壓捉輸出啄端。VO需要胖一個(gè)軌外部索的0V創(chuàng)~-店10導(dǎo)V負(fù)壓良輸入貝，可車接入目電位悟器調(diào)在整液壩晶灰捎度。困在背甲光電墻路中舉需要潛串接5歐姆狠電阻潔，直稱接將網(wǎng)背光謙接入莖電源廣可能怎會(huì)造但成損塌壞。芹其余蜂引腳權(quán)由單孫片機(jī)錢控制棕。LC革M1百28景64結(jié)構(gòu)愿圖如貍圖所間示：LC牛M1通28長(zhǎng)64液晶貪顯示壘模塊槍外觀受圖結(jié)香論本文君介紹左了多重功能PW揭M信號(hào)辭發(fā)生化器系送統(tǒng)設(shè)侮計(jì)。絕經(jīng)過(guò)蔑方案滅論證秘本次統(tǒng)設(shè)計(jì)屠選擇恐了調(diào)逮制法客，利煉用模號(hào)擬電餅子器戲件產(chǎn)島生高魔頻三代角波早或鋸題齒波癢與DC或AC比較佳產(chǎn)生PW錄M信號(hào)熄。經(jīng)潔框圖順設(shè)計(jì)確，將勻電路潮劃分戲?yàn)镸S購(gòu)P4穿30胖F1捕69單片莊機(jī)系滅統(tǒng)電度路和PW生M信號(hào)想發(fā)生速器電燦路兩勿個(gè)組鏟成部艱分。稼本設(shè)訓(xùn)計(jì)應(yīng)您用定艷時(shí)器階技術(shù)炊通過(guò)螞控制底時(shí)鐘棚中斷鳳來(lái)更廟改DA付C輸出涼數(shù)據(jù)欺，再局結(jié)合PW糊M信號(hào)凡發(fā)生成器電弊路，辰通過(guò)殺兩者灘有機(jī)嘉結(jié)合妥，構(gòu)貝成多某功能PW忙M信號(hào)粒發(fā)生砌器。露單片播機(jī)數(shù)膠模轉(zhuǎn)淺換模缺塊輸劑出端DA慚C1輸出紐奉直流蓋電壓葛可控艘制PW棵M占空右比；DA鞭C0輸出兄交變托電壓?jiǎn)士僧a(chǎn)津生SP饒WM信