多种频段PWM信号产生电路设计详解

　　本文设计并制作了一种便于模拟汽车电磁阀实际工作状态的电源。根据电磁阀在汽车中的工作要求，对电磁阀在各种工作状态下的质量要求进行模拟测试。同时解决测试出口电磁阀产品性能指标的难题，为我国电磁阀的出口产品提供必要的技术性能测试设备。电磁阀在现代汽车中应用十分广泛，电磁阀的性能与汽车的性能紧密相关。施加到电磁阀的电源在实际工作时的状态是异常复杂的，主要表现在电磁阀电源的电压幅度、频率、占空比的复杂性和随机性。为了保证电磁阀出厂的质量，本文设计并制作了一种便于模拟汽车电磁阀实际工作状态的电源。根据电磁阀在汽车中的工作要求，对电磁阀在各种工作状态下的质量要求进行模拟测试。同时解决测试出口电磁阀产品性能指标的难题，为我国电磁阀的出口产品提供必要的技术性能测试设备。

　　系统结构与工作原理

　　如图1所示，整个系统包括单片机、I／O扩展电路、D／A转换电路、PWM产生电路、频率选择电路、光电隔离和驱动电路及键盘和显示电路。系统以单片机为控制中心，采用DDS芯片AD9851和PWM控制芯片SG3525为波形发生设备，采用8255A扩展单片机外围接口作为三路D／A转换电路数据输入口，三路模拟电压分别用于控制频率、占空比和幅度。通过单片机处理数据控制波形发生设备输出信号的频率和占空比，再通过后级的频率选择电路和光耦隔离与驱动电路，实现输出频率、占空比和幅度可调的PWM信号。此外，人机接口采用键盘和LCD显示，通过RS 232串口进行通信后，由PC机实现。

　　信号产生与控制电路

　　系统要求产生频率在O～25 000 Hz之间占空比可调的PWM信号，采用PWM控制芯片SG3525可以很方便地产生频率和占空比独立可调的PWM信号，但由于SG3525在150 Hz以下频率极不稳定，因此需要将信号分为两个频率段进行设计，其中低频段为O～200 Hz，采用AD9851作为信号发生器，高频段为200～25 000 Hz，采用SG3525作为信号发生器。

　　低频段PWM信号产生电路

　　AD9851 是高集成度的直接数字频率合成器，该器件频带宽、频率与相位均可控。其主要组成为：相位累加器、相位相加器、波形存储器、数字相乘器和D／A 转换器。基本工作为：在采样时钟信号的控制下，通过由频率码控制的相位累加器输出相位码，将存储于只读存储器中的波形量化采样数据值按一定的规律读出，经 D／A转换和低通滤波后输出正弦信号。

　　低频段信号产生电路如图2所示，设计电路中，AD9851外接30 MHz有源晶振作为参考频率源。单片机与AD9851采用高速并行接口工作方式，以AT89C55的引脚P1．0～P1．7作为AD9851的并行数据输入端口，P2．O，P2．1，P2．2作为I／O口输出数据对AD9851的RESET，FQ_UD，W_CLK进行控制。AD9851输出频率可变的方波送到单片机外部中断INT0，P2．3为低频PWM信号输出端口。单片机具体输入方式为：有效复位信号RESET使输入数据地址指针指向第1个输入寄存器，W_CLK上升沿写入第1组8位数据，指针指向下一个输入寄存器。连续5个W_CLK上升沿完成全部40位控制数据的输入。此后WCLK信号上升沿无效。FQ_UD上升沿到来时这40位控制数据由输入寄存器写入频率，相位控制寄存器，更新输出频率和相位，同时把地址指针复位到第1个输入寄存器，等待下一组新数据的写入。

　　AD9851 首先通过IOUT引输出频谱纯净的正弦信号，输出经外部无源低通滤波后，由引脚VINP进入AD9851内部高速比较器，最后由引脚 VOUTN输出得到稳定性很好的方波。将方波引入单片机外部中断引脚，中断设置为下降沿触发，将单片机端口P2．3设置为低频PWM信号输出端。如图3所示，P2．3口输出频率与INT0一致，占空比可调的矩形波。

　　具体控制占空比过程如下：单片机进入外部中断之后，将P2．3置高电平，延时一段时间t，再将P2．3置低电平。这样P2．3口就输出占空比q％=t／T的矩形波，通过改变延时t就能改变占空比，延时函数如下：单片机晶振为12 MHz时，此函数延时8c μs，假设AD9851输出频率为f的方波送给INT0。由于本设计低频率段在0～200 Hz范围内，AD9851送给外部中断引脚的方波周期比较大，因此采用上述方法可以比较精确地控制q在O～100内变化，输出比较理想的频率占空比独立可调的低频PWM信号。

　　高频段PWM信号产生电路

SG3525是一种性能优良、功能齐全、通用性强的单片集成脉宽调制控制器，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了控制电路的设计及调试。因此选择SG3525作为本设计的高频PWM信号发生器，产生200～25 000 Hz的PWM信号。高频段PWM信号产生电路如图4所示。单片机通过两路D／A转换