电信0502班王锦鹏毕业答辩发言

1、多功能PWM信号发生器系统设计Systematic Design of Multi-purpose PWM Signal Generator,吉林化工学院信控学院 电信0502班 王锦鹏 指导教师:刘刚,吉林化工学院毕业设计论文,摘 要,本文论述了由MSP430F169单片机系统和PWM信号发生电路构成的多功能PWM信号发生器系统设计。压控振荡电路产生的锯齿波频率可调；单片机发出的直流电平和基波频率及基波波形可变。因此，可生成多种功能PWM信号，而且还可以扩展产生三相SPWM信号。该信号发生器可作为全控型电力电子器件的控制信号发生器应用于电力变流技术中。对于DC-DC开关电源、AC-AC电子调

2、压器，发生器产生的PWM信号随控制信号改变占空比；对于DC-AC逆变电源产生的PWM信号占空比按正弦基波变化规律改变，即SPWM。 关键词：PWM；MSP430F169；信号发生器；三相SPWM,1、产生PWM信号的方案选择,经过对题目的分析，完成设计主要在于PWM信号产生方案的选择。考虑选用以下方案来实现： 方案一：调制法，利用模拟电子器件产生高频三角波或锯齿波与DC或AC比较产生PWM信号； 方案二：利用单片机产生PWM信号； 方案三：利用CPLD或FPGA产生高频PWM信号。 方案论证：综合以上三种方法的优缺点和制作成本考虑，本次设计采用方案一调制法，利用模拟电子器件产生高频三角波或锯齿

3、波与DC或AC比较产生PWM信号。,2、PWM信号发生器的结构框图,本系统设计以MSP430F169单片机为核心，在软件编程中采用C430语言，采用硬件电路和软件程序相结合的方法，产生PWM信号。本设计采用单片机片内的D/A转换模块与定时器结合产生基波，应用定时器技术通过控制时钟中断来更改DAC输出数据，单片机数模转换模块输出端DAC1输出直流电压可控制PWM占空比，发送直流给开关电源实现DC-DC转换， DAC0输出交变电压可产生SPWM信号，给逆变电源，实现DC-AC转换，且基波频率和波形受单片机控制。本设计主要由MSP430F169单片机电路和PWM信号发生器电路两个部分构成，其中单片机

4、是控制核心与时钟电路、复位电路、LCM显示电路和频率波形设定键输入电路构成单片机系统。以硬件电子元件构成PWM信号发生电路通过两者有机结合构成多功能PWM信号发生器系统。,3 、 PWM信号发生器电路,多功能PWM信号发生器电路是由五个运算放大器构成，其中U1和U2两个运算放大器构成电压跟随器，由单片机的5脚输出的正弦信号(Vo_sin)和由6脚输出的直流信号(Vo_DC)输出至PWM信号发生器电路，拨动开关S_1接于1端，输出PWM信号占空比由滑动变阻器Rp_1手动控制；接于2端，占空比由单片机输出电压Vo_DC控制；接于3端，占空比由单片机输出电压Vo_sin控制，产生SPWM信号。以上各

5、信号可在Vo1点观测。当转换开关S1打到2时，输出的直流信号(Vo_DC) 经转换开关S1输入到放大器U1的3脚正向输入端;当转换开关S1打到3时，输出的交流电压Vo_sin经转换开关S1输入到放大器U1的3脚正向输入端。其电路设计的优点是输入的阻抗大于100M，不从信号源取电流，不影响可调电阻的分压比。其中U3和U4两个运算放大器构成压控振荡器，改变Rp_2分压值可控制Vo2输出锯齿波频率，改变Rp_3分压值可控制Vo2输出锯齿波直流偏移量。压控振荡器输出波形可在Vo2点观测。,其中的R1，C和U4构成了反相积分电路，输出的电压随时间反相增加，当超过R3，R2和U3构成的同相滞回比较器反相阈

6、值电压时，其U3的6脚Vo输出负最大值，D1导通C放电，同时U4输出的为正向阶跃，当超过R3，R2和U3构成的同相滞回比较器的正向阈值电压时，U3输出为正，D1截止，U4再次进入积分过程。因此U3和U4两个运算放大器构成压控振荡器的振荡频率受输入直流正电压的控制，我们在设计调节Rp_2，来使输出锯齿波为20KHz。U5为高速比较器产生PWM信号。 当多路开关S_2接于1端时， PWM信号直接输出。当多路开关S_2接于2端时，Vo_4输出的是 PWM信号经滤波后的信号。在进行DC_AC逆变时，由于SPWM波占空比始终处于变化状态观测困难，用示波器观测Vo_4波形不但可观测到DC-AC逆变波形效果

7、而且可观测到锯齿波频率、偏移量对逆变输出波形的影响。,4、MSP430F169单片机简介,MSP430F169是TI公司MSP430F系列单片机中功能较强的芯片。具有60K程序存储区、2K的数据存储区和多种外围模块。MSP430F169单片机为64引脚封装，48个数字I/O， 其中大部分引脚有复用功能。MSP430F169单片机具有片内DAC（数模转换）模块，可以将数字量转换为模拟量。 MSP430F169单片机结构特点是具有16位精简指令结构125ns的指令周期存储器为60KB+256Bflash，2KB的RAM，芯片的时钟系统支持基本时钟模块，包括支持32768Hz的钟表晶振一个内部数字控

8、制的振荡器和一个高频晶体振荡器，内部乘法器操作由专用外围模块支持，这个模块进行1616，168 816，88位的操作。,MSP430F169的管脚共有64个，在此不一一介绍，只介绍本次设计所用到的几个管脚功能如表所示：,5 、单片机小系统简介,一,时钟电路设计 MSP430F169单片机中含有低频晶体振荡器和高频晶体振荡器低频晶体振荡器满足了低功耗及使用32768Hz晶振的要求。低频晶振只需要通过8脚的XIN和9脚的XOUT两个引脚连接，高频晶体振荡器满足了使用8MHz晶振的要求。高频晶振只需要通过53脚的XT2IN和52脚的XT2OUT两个引脚连接，另加两个振荡电容。所有保证时钟工作稳定的元

9、件都集成在芯片中。 二,复位电路设计 MSP430的复位信号有两种：上电复位和上电清除信号。上电复位信号只在两种情况下产生：微处理器上电； 管脚被设置为复位功能，在此管脚上产生低电平时使系统复位。在所使用的单片机系统中所用的复位电路如下图所示，所用的电容为22pF，它的作用是延长充电的时间，以使单片机复位端以缓慢的速度从低电平到达高电平。,单片机小系统电路图,6 、 MSP430F169片内定时器简介,定时器A具有多种功能，但基本结构是一个十六位计数器，由时钟信号驱动。定时器A功能模块主要包括： 1计数器部分： Timer_A可以通过选择4种工作模式灵活的完成定时/计数功能。 2捕获/比较器：

10、用于捕获事件发生的时间或产生时间间隔。 3输出单元：具有可选的8种输出模式。 定时器有四种工作模式 ：1停止模式 。2增计数模式 。3连续计数模式 。4增/减计数模式 。 定时器B的使用方法和工作原理均与定时器A相同，差别主要有两点：首先是定时器B中断优先级别高，因此优先处理的事件应选此中断；其次是定时器B有6个捕获/PWM输出通道，应用更灵活。,定时器A结构原理图,7、 DAC12位模块简介,MSP430F169单片机具有片内DAC（数模转换）模块，可以将数字量转换为模拟量。MSP430F169的 DAC模块是12位电压输出的数模转换模块（DAC12）。若选用内部2.5V参考电压源，当输入D

11、AC12的数字量从0 x0到0 xFFF变化时，对应的输出电压量也就从0到2.5V变化，中心偏移量1.25V（对应数字量800H）；最大值1.25V（数字量800H）。在基波发生器设计中使用DAC通道产生波形。DAC12模块是一个12位的，R梯度的两通道的电压输出数模转换器。DAC12模块输出两路12bit的DAC0和DAC1的信号。单片机数模转换DAC12模块输出端DAC1输出直流电压可控制PWM占空比；DAC0输出交变电压可产生SPWM信号，且基波频率和波形受到单片机控制。 其中，F：高频时钟频率；N1一个周期DAC数据分组数；N2产生正弦波频率数。,DAC12转换器产生正弦波数据计算公式

12、： DAC输出电压范围02.5V（峰峰值），对应输入数字量范围00FFFH；中心轴（偏移量）对应1.25V（数字量800H）最大值1.25V（数字量800H）。若将一个正弦周期分为36个点，个点对应的DAC输入数值计算公式如下：,计算定时器TBCCR0中断时间常数DN（PWM周期）公式：,其中，F：高频时钟频率；N1一个周期DAC数据分组数；N2产生正弦波频率数。,8、LCM12864液晶显示模块,LCM12864液晶显示模块是由128列64行液晶显示点阵和其控制电路组成，整个电路板外形、尺寸如图所示。该显示模块不仅可以显示数字，还可以显示汉字和图形。模块电路板下端有20个接线引脚，其中VDD

13、与VSS引脚是LCM12864液晶模块电源与地接入端，VOUT是LCM12864液晶模块自生成负电压输出端。VO 需要一个外部的0V-10V负压输入，可接入电位器调整液晶灰度。在背光电路中需要串接5 欧姆电阻，直接将背光接入电源可能会造成损坏。其余引脚由单片机控制。LCM12864结构图如图所示：,LCM12864液晶显示模块外观图,结 论,本文介绍了多功能PWM信号发生器系统设计。经过方案论证本次设计选择了调制法，利用模拟电子器件产生高频三角波或锯齿波与DC或AC比较产生PWM信号。经框图设计，将电路划分为MSP430F169单片机系统电路和PWM信号发生器电路两个组成部分。本设计应用定时器技术通过控制时钟中断来更改DAC输出数据，再结合PWM信号发生器电路，通过两者有机结合，构成多功能PWM信号发生器。单片机数模转换模块输出端DAC1输出直流电压可控制PWM占空比；DAC0输出交变电压可产生SPWM信号且基波频率和波形受单片机控制。PWM信号发生电路用来产生PWM控制信号。 本系统设计以MSP430F169单片机为核心，在软件编程中采