PWM信号发生器设计

丁岩岩　马洪华　李卫中

关键词：LM3S1138；PWM信号；OPA355；ADS7818；矩阵键盘；LCD12864

中图法分类号：TN03 文献标识码：A

1引言

脉冲宽度调制（PWM）是现代控制技术常用的一种控制信息输出，是可以利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于从测量、通信到频率控制与变换的诸多领域。

PWM技术[1]本来是应用于电子信息系统和通信领域的一种信号变换技术，但从20世纪60年代中期以来，随着电力电子技术被引入电力变换领域，PWM技术广泛应用于各种工业电力传动领域乃至家电产品中。目前，随着微机技术日益广泛深入工业控制领域，单片机控制的PWM技术迅速发展，其突出特点是可以比较容易地选择最佳的脉冲调制频段，更重要的是，由于与单片机的结合，整个系统可以集成为具有更完备的保护功能、故障诊断功能和显示功能的高可靠的微型化系统。因此，它被竞相开发，应用前景广阔。

2系統功能

设计并制作一台PWM信号发生器，电路组成框图如图1所示。

3总体方案设计

本方案以32位的LM3S1138微控制器为主要控制单元，PWM信号由LM3S1138直接产生，通过Timer模块的定时器模式产生（10Hz-1kHz）PWM信号，再由Timer模块的PWM模式产生（1kHz～100kHz）PWM信号，通过按键控制继电器来选择产生不同频率阶段的PWM信号，再经由OPA355实现幅值可调功能，ADS7818采集PWM信号的电压幅值，PWM信号的频率、幅值和占空比通过液晶LCD12864显示出来，通过键盘可实现频率和占空比可调以及占空比设置的功能。系统框图如图2所示。

4硬件电路设计

4.1控制器选型及功能特点

LM3S1138是Luminary Micro公司Stellaris所提供一系列的微控制器，是首款基于ARM（R） Cortex（TM）-M3的控制器，它为对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。该具备领先技术的芯片使用户能够以传统的8位和16位器件的价位来享受32位器件的性能，而且所有型号都是以小占位面积的封装形式提供。

该LM3S1138微控制器是针对工业应用方案而设计的，包括远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC和建筑控制、游戏设备、运动控制、医疗器械以及火警安防。

4.2键盘接口电路设计

依据本系统设计要求，需要有频率步进、占空比步进及设置、幅值步进等功能，故需要设计键盘模块。在本设计中使用常用的4*4键盘。4*4键盘硬件设计多采用矩阵式键盘，4*4矩阵键盘用8个IO端口实现16按键功能。键盘按键布置如图3所示。

4.3液晶显示

显示模块使用的是LCD12864液晶，LCD12864液晶显示为128*64的点阵，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，硬件电路结构和显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。LCD12864液晶的原理简图如图4所示。

4.4 OPA355电路设计

OPA355是具有关断状态的CMOS宽带运算放大器，其工作电路原理图如图5所示。

由同相比例运算放大器输入／输出Vo=（1+Rf/R1）*Vi，可得：

Vout=（1+R2/R1）Vin （1）

4.5 ADS7818电路设计

ADS7818是12位高速低功耗采样模数转换器，其分辨率为1/4 095，精度较高。ADS7818工作的电路如图6所示。

该电路中由串行时钟输入引脚CLK、串行数据输出引脚DATA和转换信号输入引脚CONV组成的串行接口直接与单片机的输入／输出引脚连接。要使上述ADS7818的电路工作，单片机加到它的引脚上的信号必须满足工作时序如图7所示。

ADS7818采集的电压值为Vo，其计算公式为

其中，temp为采集到的数字量。

5软件设计部分

5.1软件设计总体结构

系统软件部分主要包括具有友好界面的操作菜单，各种信号的设置和控制。PWM信号产生过程：频率设置，使用Timer模块的定时器模式和Timer模块的PWM模式分别产生10Hz～1kHz和10 kHz～100kHz的PWM信号。调幅波产生过程为：把PWM信号通过OPA355调节滑动变阻器可得到1V～5V的调制。软件流程图如图8所示。

5.2 Timer模块的定时器模式

本程序采用了20 MHz的系统时钟频率，采用了32位的可编程周期定时器，由于定时1ms以上的时间比较精确，故采用此方法产生10 Hz～1 kHz的PWM信号。

由于系统时钟频率20 MHz已确定，产生PWM信号的频率是由上述程序中2*T来决定的，且频率F=200000001（2*T）Hz；占空比=（count1+time）／（2*T）；采用键盘改变T的值可实现频率的步进，改变time的值（此时count1为定值）可现实占空比步进和设置的功能。

5.3 Timer模块的PWM模式

本模块采用的是PWM模式，可通过软件实现PWM信号周期、占空比、输出反相的控制，由于PWM模式是16位的，不能产生较小的PWM信号，但可产生1kHz～100 kHz的PWM信号，恰好能与上述Timer模块的定时器模式产生的PWM信号连接上。

由于系统时钟频率为20 MHz，产生PWM信号的频率是由上述程序中ff来决定的，且频率F=20000000/ffHz；由于PWM模式是16位的，故ff的取值范围为0～65 535，所以可生1kHz～100 kHz的PWM信号。占空比=f1/ff，采用键盘改变ff的值可实现频率的步进，改变f1的值可现实占空比步进和设置的功能。

5.4键盘扫描程序

4*4鍵盘常用的方法有查表法和计算法，在本设计中使用查表法。凌阳单片机PA端口低4位输出状态扫描键盘。高4位是输入方式，检测键盘按键变化，当没有按键按下时，高4位输入状态不变；有按键按下时高4位状态改变。此时，低4位逐行扫描，确定行。再高4位和低4位输入／输出方式交换，高4位输出，低4位输入；扫描列，确定列。行列都扫描后查表，确定键盘值。键盘扫描程序流程图如图9所示。

6调试

首先编写调试LM3S1138程序，LM3S1138开发板包含下载器和最小系统，可以直接使用开发板调试程序。实现程序设计需要最基本的模块有：LM3S1138开发板、128*64液晶、OPA355模块、ADS7818模块、4*4键盘。调试程序使其满足频率、占空比等设计控制功能。其次硬件调试。最后系统联调，测试系统参数。

测试设备：RIGOL公司DS1052E示波器、SS1792C直流稳压电源。

测试数据如表1、表2和表3所列。

由表1数据可以看出，由于在高频的条件下，单片机定时器的固有误差导致产生的PWM信号有一定程度的误差，但是本系统的误差在测量的允许范围内。

由表2数据可以看出，占空比在产生的过程中没有误差，此项功能完成得比较好。

由表3数据可以看出，由于此测量是在100Ω的负载条件下测量所得，在不同频率阶段会影响运算放大器的倍数，故存在一定的误差，此误差在测量的范围内。

7结束语

本系统是基于LM3S1138和OPA355构成的PWM信号发生器，由于LM3S1138资源丰富，含有Timer模块的32位定时模式和16位PWM模式，可直接通过LM3S1138本身的资源产生PWM信号，产生的PWM信号可通过OPA355实现幅值可调的功能。本系统具有硬件少、结构简单、容易实现、性能可靠稳定等特点。

作者简介：

丁岩岩（1989—），硕士，讲师，研究方向：嵌入式开发、电子通信技术。

马洪华（1986—），硕士，实验师，研究方向：电路系统控制、激光诱导击穿光谱等（通信作者）。