PWM转I/O信号的电路设计、仿真与实验

徐文宽，连龙刚，王保成，周江华

(中国科学院光电研究院，北京 100094)



PWM转I/O信号的电路设计、仿真与实验

徐文宽，连龙刚，王保成，周江华

(中国科学院光电研究院，北京 100094)

设计了PWM信号转I/O信号的电路，并进行了仿真和实验。将可再触发的单稳态多谐振荡器74HC123与上升沿触发的D-type触发器74HC74配合使用，通过调节可变电阻来调节74HC123的时间参数，从而实现将PWM输入信号转换为I/O信号。通过纯硬件电路实现了PWM信号转I/O信号，仿真结果与电路实验结果相符。

脉冲宽度调制信号；I/O信号；振荡器；触发器；仿真

0 引言

最近几年，飞艇技术迅速发展，飞行控制技术的快速进步则起到了至关重要的作用。飞行控制计算机作为飞艇飞行的控制中心，负责艇上大多数关键设备的控制，包括鼓风机、发动机、排气阀、压舱阀、撕裂幅等设备的开关。

MP2028是加拿大某公司设计的一款飞行控制计算机，其输出信号只有脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)信号。而飞艇上的大多数设备的控制需要的是一个I/O信号，因此需要设计一款电路将PWM信号转换为I/O信号，根据PWM信号的脉宽来决定输出信号电平的高低，从而实现被控设备的开启和关闭。本文详细介绍此电路的原理、仿真和实验结果。

1 电路原理[1-3]

在该电路中，控制电路为低电压、小电流，被控电路为高电压、大电流，因此需要通过继电器来控制被控电路的开断。

该电路主要通过两款芯片74HC123和74HC74来实现PWM信号到I/O信号的转换，原理图如图1所示。

1.1 原理图介绍

该电路可以分为四个模块，分别是：电源模块、信号输入模块、信号转换模块和输出模块。电源模块由L7805电源芯片将5～24 V电压转化为5 V电压；信号输入模块有两路，由两个三针接线端子J2、J3组成，电容C6、C7和下拉电阻R5、R6主要是为了滤除高频干扰。信号转换模块是系统的核心，由可再触发的单稳态多谐振荡器74HC123和上升沿触发的D-type触发器74HC74两个芯片实现两路信号的转换，每块芯片内部集成两组完全相同的功能，C4、R1和C5、R2分别实现两路信号的时间常数的调节。输出模块由三极管T1、T2分别驱动两个电磁继电器K1、K2实现，二极管D3、D4用来吸收电磁继电器断电瞬间线圈的感应电流。

1.2 时序分析

74HC123为可再触发的单稳态多谐振荡器，其功能表如表1所示。

表1 74HC123芯片的功能表

图1 电路原理图

74HC74是一款上升沿触发的D-type触发器，其功能表如表2所示。

表2 74HC74芯片的功能表

图2 电路时序图

从图中可以看出，当输入信号nB的脉宽小于tW时，输出信号Q变为低电平；当输入信号nB的脉宽大于tW时，输出信号Q变为高电平。因此，可以把输出信号Q作为一个开关信号，其开关由输入nB信号的脉宽和tW共同决定。

1.3 参数计算

tW由74HC123芯片的外接电阻REXT和外接电容CEXT决定，公式如下：

tW=0.55×REXT×CEXT

MP2028的输出脉宽信号可以在1 ms～2 ms间任意可调，所以可以选择合适的REXT和CEXT的值，使tW在1.5 ms左右。根据公式计算选取C4和C5为0.01 μF，R1和R2为333 kΩ。在电路中可以把REXT设计为可调电阻，这样就有很大的灵活性了。

2 电路仿真

使用Multisim对电路进行仿真，仿真原理如图3所示。分别设置输入信号的脉宽为1.2 ms和1.8 ms的输出信号,仿真结果分别如图4和图5所示。其中方波为输入信号，另一条线为输出信号。仿真结果与设计预期完全相符。

图4 输入信号脉宽为1.2 ms时的仿真结果

3 电路实验

按照电路原理图设计了PCB，并制作了实际电路板进行实验。实验时输入信号由信号发生器产生，输出信号由示波器采集。输入信号和输出信号的波形分别如图6～图9所示。

图3 电路仿真原理图

图5 输入信号脉宽为1.8 ms时的仿真结果

图6 脉宽为1.2 ms的输入信号波形

图7 输入信号脉宽为1.2 ms时的输出波形

由实验结果可知，此电路的设计完全符合预期，实现了由PWM信号到I/O信号的转换。

4 结论

本文详细介绍了PWM信号转I/O信号电路的原理、仿真和实验情况。通过可再触发的单稳态多谐振荡器74HC123和上升沿触发的D-type触发器74HC74配合使用，实现了脉宽阈值可调的PWM信号转I/O信号电路。此电路为纯硬件电路，具有简单、可靠且参数可调的优点。

图8 脉宽为1.8 ms的输入信号波形

图9 输入信号脉宽为1.8 ms时的输出波形

[1] 闫石等.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 吴征,苏淑靖.基于FPGA+PWM的多路信号发生器设计[J].电子技术应用,2014,40(3):38-40,44.

[3] 郭林杰,赵建勇.基于双PWM协调控制的永磁风力发电系统研究[J].微型机与应用,2013,32(8):68-71.

Design, simulation and experiment of a circuit for converting PWM signal to I/O signal

Xu Wenkuan，Lian Longgang，Wang Baocheng，Zhou Jianghua

(Academy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Science, Beijing 100094, China)

We propose a solution to convert PWM signal to I/O signal, including the circuit design, simulation and experiment. PWM signal was converted to I/O signal by using retriggerable monostable multivibrator 74HC123 and positive-edge triggerable D-type flip-flop 74HC74, and the time parameter can be changed by adjusting the variable resistor. It was realized by using only hardware circuit. The experiment was consistent with the simulation.

pulse width modulation signal, input/output signal, vibrator, flip-flop, simulation

TP302.1

A

1674-7720(2016)07- 0022- 03

徐文宽，连龙刚，王保成，等. PWM转I/O信号的电路设计、仿真与实验[J].微型机与应用，2016,35(7)：22-24.

2015-12-07)

徐文宽(1982-)，通信作者，男，硕士，工程师，主要研究方向：航空电子技术。E-mail:xuwk@aoe.ac.cn。

连龙刚(1982-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：通信技术。

王保成(1974-)，男,博士，副研究员，主要研究方向：航空电子技术。