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pwm波信号发生器

电子技术综合训练

设计报告

题目：

PWM信号发生器的设计

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摘要

本次课程设是基于TTL系列芯片的简易PWM信号发生器,PWM信号发生器应用所学的数字电路和模拟电路的知识进行设计。

在设计过程中，所有电路仿真均基于Multisim10仿真软件。

本课程设计介绍了PWM信号发生器的设计方案及其基本原理，并着重介绍了PWM信号发生器各单元电路的设计思路，原理及仿真，整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。

设计共有三大组成部分：

一是原理电路的设计，本部分详细讲解了电路的理论实现，是关键部分；二是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求。

三是是对本次课程设计的总结。

关键字：

1设计任务和要求…………………………………………………………?

1.1设计任务……………………………………………………………?

1.2设计要求…………………………………………………………….?

2系统设计…………………………………………………………………?

2.1系统要求…………………………………………………………….?

2.2方案设计……………………………………………………………?

2.3系统工作原理……………………………………………………….?

3单元电路设计……………………………………………………………?

3.1单元电路A（单元电路的名称）……………………………………?

3.1.1电路结构及工作原理……………………………………………?

3.1.2电路仿真…………………………………………………………?

3.1.3元器件的选择及参数确定……………………………………………?

3.2单元电路B（单元电路的名称）……………………………………?

3.2.1电路结构及工作原理…………………………………………?

3.2.2电路仿真…………………………………………………………?

3.2.3元器件的选择及参数确定…………………………………………….?

……

4系统仿真……………………………………………………………………?

.

5电路安装、调试与测试……………………………………………………?

5.1电路安装………………………………………………………………?

5.2电路调试………………………………………………………………?

5.3系统功能及性能测试…………………………………………………?

5.3.1测试方法设计………………………………………………………?

5.3.2测试结果及分析……………………………………………………?

6结论…………………………………………………………………………?

7参考文献……………………………………………………………………?

8总结、体会和建议

附录

1、设计任务和要求

1.1设计任务

设计具有死区时间的PWM信号产生的电子线路，并且设计数码显示电路，实时显示PWM信号的频率。

1.2设计要求

脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的一种有效的技术，因为设计是基于模拟电子技术和数字电子技术的，所以设计时应该考虑进各个器件的适用范围。

设计双输出PWM电路，两路输出互相反相，并且第一路的上升沿总比第二路的下降沿延迟5微秒（死区时间）。

频率测量电路需要考虑测量精度以及分辨率。

最后线路经过放大隔离后输出。

2、系统设计

2.1系统要求

PWM信号发生器包括两部分:

PWM信号发生部分和频率测量部分。

2.2方案设计

PWM信号发生部分

直流电机调速中广泛使用PWM方式，设该脉冲的频率为1000Hz，脉冲的宽度（占空比）由输入的直流参考电压大小决定，范围为0%～100%。

PWM波常用锯齿波和参考电压相比较的方式，或者是直接用由555电路构成的多谢振荡器产生。

锯齿波产生电路包括同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分器两部分，输出的锯齿波和比较电压同时输入迟滞比较器便可得到宽度可调的锯齿波，此为模拟电路产生PWM。

用555组成占空比连续可调的多谢振荡器如图1-1-1。

图1—1—1

调节图中的可变电阻，就可以控制产生脉冲的占空比。

对比两种方案，一种是由模拟电路的方法产生pwm，另一种是由数电方法产生pwm。

先然后一种方法比较简便可行，而且电压幅值可控。

频率测量部分

信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。

计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。

如在1s内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。

测量频率的基本方法有两种：

计数法和计时法，或称测频法和测周期法。

1、计数法

计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。

改变时间T，则可改变测量频率范围。

如图（1-1-1）

图1-1-1测频法测量原理

设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=（N1-N）/N=1/N。

由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。

因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。

当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：

δf1=（f1-f）/f=1/f

从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。

因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。

2、计时法

计时法又称为测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。

首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数，如图（1-1-2）

图1-1-2计时法测量原理

若在T时间内的计数值为N2,则有：

T2=N2*T1f2=1/T2=1/（N2*T1）=f1/N2

N2的绝对误差为N2=N+1

N2的相对误差为δN2=（N2-N）/N=1/N

T2的相对误差为δT2=（T2-T）/T=（N2*T1-T）/T=f/f1

从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。

当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。

根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。

由上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。

但由于用计时法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现，因此，计时法不适合本实验要求。

测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频率越高，其误差就越小。

但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。

因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。

2.3系统工作原理

3、单元电路设计

3.1PWM信号发生

3.1.1电路结构及工作原理

如图，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。

电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号。

对C充电时，充电电流通过R1和D1；放电时，通过R2、D2。

当R1=R2时，可调电阻触头位于中心点，因充放电时间基本相等，其占空比约为50%，此时调节电阻，可调节多谢振荡器的占空比。

另外，调节R1和R2还可以改变输出矩形波的周期和频率。

输出的时间参数如下：

周期T=Tw1+Tw2；振荡频率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），当R2>>R1,占空比近似为50%。

通过计算，取三个电阻都为5kΩ，C1=100nF，C2=10nF，使得输出频率f=1000Hz。

3.1.2电路仿真

3.2制造死区时间

3.2.1电路结构及工作原理

如图所示是用施密特触发器构成的脉冲展宽器的电路和工作波形图。

在图a中所示电路中，当输入电压u1为低电平UIL时，集电极开路门输出三极管是截止的，施密特触发反相器的输入特性，可以保证A点电位uA为高电平，因此输出电压u0为低电平UOL。

当ui条编导高电平UIH时，三极管饱和导通，电容C迅速放电，uA很快下降到低电平，uO跳变到高电平UOH。

当uI由UIH跳变到UIL时，三极管截止，电源Vcc通过施密特触发器反相器的输入端电路对电容C充电，uA缓慢上升，当uA升高到UT+时，UO才会由UOH跳变到UOL。

因此，输出电压UO的脉冲展宽，比输入电压u1的脉冲宽度显然要宽，而且改变电容C的大小，可方便地调节展宽的程度。

图b是uI、uA、uO的波形图。

3.2.2电路仿真

3.3频率计

3.3.1电路结构及工作原理

频率计由时基电路，控制电路组成

1时基电路

由两部分组成，第一部分为由石英晶体组成的多谐振荡器电路；第二部分为分频电路。

（1）石英晶体多谐振荡器电路

石英晶体一种具有较高频率稳定性的选频器件，广泛用于通信、定时等频率要求高的场合，石英晶体的谐振频率由石英晶体的晶体方向和外形尺寸决定，具有极高的稳定性。

由于频率计数器是一种需要频率稳定性高的器件，故此方案选用石英晶体多谐振荡器。

如图（2-3-1）所示

100HZ—9999HZ闸门时间10ms；

1KHZ—100KHZ闸门时间1ms

取c=10uf（1F（法）=10^3mF（毫法）=10^6uF（微法）=10^9nF（纳法）=10^12pF（皮法）

所以：

1uF（微法）=10^3nF（纳法）=10^6pF（皮法）最基本的关系）

图2-3-1

矩形周期的振荡周期为T≈1.4RfC当取Rf=1kΩ，C=100pF～100μF时，则该电路的振荡频率则在几赫到几兆赫的频率范围内变化。

在此选C=10nf的电容及固有频率为10kHZ的石英晶体。

（2）分频电路

振荡器产生10khz的脉冲，闸门时间为1s0.1s1ms10ms选用4518x4作为分频电路。

4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。

计数器在脉动模式可级联，通过将Q³连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。

分频电路如图（2-3-2）所示

图2-3-2分频电路

2控制电路

控制电路需要控制几个模块。

包括计数电路，锁存电路，和译码显示电路。

通过产生控制信号控制所要控制的模块，同时会产生清零信号和锁存信号，使显示器显示的测量结果稳定。

（1）计数电路

采用3个74LS192十进制计数器，该芯片无需额外的元器件就可实现十进制计数，所以首选。

计数器依次从个位开始计数，向上为发出进位信号而是高位开始计数。

（2）锁存电路

在确定的时间内（1s）,计数器的计数结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值.锁存器的作用通过触发脉冲控制.将测得的数据寄存起来,送显示译码器.锁存器可以采用4位并行输入寄存器.为使数据稳定,采用边沿触发方式的器件.

选用3个4位锁存器74LS175完成上述功能.当锁存信号CP的正跳变来到时,锁存的输出等于输入,从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端,.高电平结束后,无论D是何值,输出端状态保持不变,所在计数期间内,计数器的输出不会送到译码显示器。

（3）译码电路

采用4511BD集成共阴七段LED数码管。

译码显示器的作用是把用BCD码表示的十进制数转化成能驱动数码管正常显示的段信号,从而获得数字显示.

选取显示译码器时其输出方式必须与数码管相比配。

4、系统仿真

5电路安装、调试与测试

电路安装

在统装图上标好芯片号和引脚号，不用功能脚的逻辑电平。

合理布置芯片和其它元件的位置。

布线：

安排好电源线和地线。

线紧贴面包板、横平、竖直、不交叉、不重叠

在芯片两侧走线，不可跨芯片

原件横平、竖直

安装顺序：

按信号流向，先主电路，后铺住电路。

边安装边调试

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