pwm波信号发生器

精品文档 1欢迎下载 电子技术综合训练 设计报告设计报告 题目 题目 PWMPWM 信号发生器的设计信号发生器的设计 姓名 姓名 学号 学号 精品文档 2欢迎下载 班级 班级 同组成员 同组成员 指导教师 指导教师 日期 日期 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 精品文档 3欢迎下载 目录 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 精品文档 4欢迎下载 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 精品文档 5欢迎下载 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 精品文档 6欢迎下载 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 精品文档 7欢迎下载 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 精品文档 8欢迎下载 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 计数值 N1 T 被测信号 标准闸门 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 N1 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 f1 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 精品文档 9欢迎下载 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 T1 f2 1 T2 1 N2 T1 f1 N2 N2的绝对误差为 N2 N 1 N2的相对误差为 N2 N2 N N 1 N T2的相对误差为 T2 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 精品文档 10欢迎下载 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 精品文档 11欢迎下载 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 精品文档 12欢迎下载 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 5k 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 精品文档 13欢迎下载 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 精品文档 14欢迎下载 C4 10uF Key A 50 XSC1 ABCD G T VCC 5V VCC 5V R5 5k Q1 2N2219 R4 100 R6 100 U4A 74LS14D R7 5 C1 30pF Key A 50 0 0 12 11 1 10 9 8 VCC VCC XSC2 ABCD G T U1A 74LS14D XSC3 ABCD G T 14 0 Q4 2N2219 U3F 74LS04D VCC OUT U2 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI VCC 5V R1 5 1k R2 5k Key A50 R3 5 1k D1 1N4148 D2 1N4148 C2 100nF C3 10nF XSC4 A B Ext Trig 0 20 19 18 17 16 15 VCC 13 值值1 值值1 V 0 V V 值 值 5 00 V V 值值值 3 18 V V 值值 2 04 V I 148 uA I 值 值 1 14 mA I 值值值 542 uA I 值值 345 uA 值值 977 Hz 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 精品文档 15欢迎下载 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 1k C 100pF 100 F 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 精品文档 16欢迎下载 振荡器产生 10khz 的脉冲 闸门时间为 1s 0 1s 1ms 10ms 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 Q 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 U7A 7404N VCC 5V R11 1k U22 7404N C5 10nF C6 10nF R12 1k U18A 4518BD 5V 1A 3 1B 4 1C 5 1D 6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U23 4518BD 5V 1A 3 1B 4 1C 5 1D 6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U24A 4518BD 5V 1A 3 1B 4 1C 5 1D 6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U25A 4518BD 5V 1A 3 1B 4 1C 5 1D 6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U26 74151N W 6 D0 4 D1 3 D2 2 D3 1 D4 15 D5 14 D6 13 D7 12 A 11 C 9 B 10 Y 5 G 7 U27 CRYSTAL VIRTUAL 93 91 908992 VCC 45 0 979596 99 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 精品文档 17欢迎下载 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 精品文档 18欢迎下载 U10 A B C D E F G CK U5 A B C D E F G CK U6 A B C D E F G CK U7A 7404N U8 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U9 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U114511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 VCC 5V VCC 5V U12 74LS192D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U13 74LS192D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U14 74LS192D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U15 74LS04D U15A 74LS04D U16 74LS175D 1D 4 CLK 9 1Q 2 CLR 1 2D 5 3D 12 4D 13 1Q 3 2Q 6 3Q 10 3Q 11 2Q 7 4Q 15 4Q 14 U17 74LS175D 1D 4 CLK 9 1Q 2 CLR 1 2D 5 3D 12 4D 13 1Q 3 2Q 6 3Q 10 3Q 11 2Q 7 4Q 15 4Q 14 U19 74LS175D 1D 4 CLK 9 1Q 2 CLR 1 2D 5 3D 12 4D 13 1Q 3 2Q 6 3Q 10 3Q 11 2Q 7 4Q 15 4Q 14 U20A 74LS08D U21A 74LS04N R8 180 RPACK 7 R9 180 RPACK 7 R10 180 RPACK 7 R11 1k U22 7404N C5 10nF C6 10nF R12 1k U18A 4518BD 5V 1A 3 1B 4 1C 5 1D 6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U23 4518BD 5V 1A 3 1B 4 1C 5 1D 6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U24A 4518BD 5V 1A 3 1B 4 1C 5 1D 6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U25A 4518BD 5V 1A 3 1B 4 1C 5 1D 6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U26 74151N W 6 D0 4 D1 3 D2 2 D3 1 D4 15 D5 14 D6 13 D7 12 A 11 C 9 B 10 Y 5 G 7 U27 CRYSTAL VIRTUAL 93 91 9089 88 87868584838281 80 79 78 77 76 75 74 73727170696867 66 65 64 63 62 61 60 59585756555453 52 51 50 49 48 47 46 44 43 42 41 40 39 38 37 363534333231302928272625 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 92 VCC 45 0 979596 99 100 精品文档 19欢迎下载 4 系统仿真 U10 A B C D E F G CK U5 A B C D E F G CK U6 A B C D E F G CK U7A 7404N U84511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA13 OD10 OE9 OF15 OC11 OB12 OG14 EL 5 BI 4 LT 3 U94511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA13 OD10 OE9 OF15 OC11 OB12 OG14 EL 5 BI 4 LT 3 U114511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA13 OD10 OE9 OF15 OC11 OB12 OG14 EL 5 BI 4 LT 3 VCC 5V VCC 5V U12 74LS192D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA3 QB2 QC6 QD7 DOWN 4 LOAD 11 BO13 CO12CLR 14 U13 74LS192D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA3 QB2 QC6 QD7 DOWN 4 LOAD 11 BO13 CO12CLR 14 U14 74LS192D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA3 QB2 QC6 QD7 DOWN 4 LOAD 11 BO13 CO12CLR 14 U15 74LS04D U15A 74LS04D U16 74LS175D 1D 4 CLK 9 1Q2 CLR 1 2D 5 3D 12 4D 13 1Q3 2Q6 3Q10 3Q11 2Q7 4Q15 4Q14 U17 74LS175D 1D 4 CLK 9 1Q2 CLR 1 2D 5 3D 12 4D 13 1Q3 2Q6 3Q10 3Q11 2Q7 4Q15 4Q14 U19 74LS175D 1D 4 CLK 9 1Q2 CLR 1 2D 5 3D 12 4D 13 1Q3 2Q6 3Q10 3Q11 2Q7 4Q15 4Q14 U20A 74LS08D U21A 74LS04N R8 180 RPACK 7 R9 180 RPACK 7 R10 180 RPACK 7 R11 1k U22 7404N C5 10nF C6 10nF R12 1k U18A 4518BD 5V 1A3 1B4 1C5 1D6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U23 4518BD 5V 1A3 1B4 1C5 1D6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U24A 4518BD 5V 1A3 1B4 1C5 1D6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U25A 4518BD 5V 1A3 1B4 1C5 1D6 EN1 2 MR1 7 CP1 1 U26 74151N W 6 D04 D13 D22 D31 D415 D514 D613 D712 A11 C9 B10 Y 5 G7 U27 CRYSTAL VIRTUAL 93 91 9