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在要求脈寬調制(PWM)輸出功能或需要產生模擬電壓來控制外部器件，而微控制器本身內部不具備這些功能時，有幾種方法可以用來產生脈寬調制輸出，最簡單的方法是從微控制器專用PWM定時器中產生。然而，并不是所有的微控制器都具有PWM定時器。另一種方法是用片上16位可編程脈沖發生器(PPG)的定時器來實現該功能，內置16位PPG定時器的微控制器可以配置成PWM模式來產生周期不變、具有各種脈沖寬度的波形，并與一個專用的外部或軟件觸發器保持同步。 PWM的一些典型應用如控制汽車尾燈或儀表盤亮度的調光器、小型直流風扇的電機速度控制器、小型加熱器控制器，甚至是數模轉換器(DAC)，在這些DAC上增加一些簡單的外部電路，就可以在精度要求不太高的應用中用來控制外部器件。 為一個儀表盤燈光調節器，MB90F428G是一個具有PPG功能的微控制器。將微控制器的16位PPG定時器配置為連續PWM模式來獲得脈寬調制輸出，以用于汽車儀表盤燈光亮度控制。產生的PWM與內部軟件觸發器同步，或與一個外部觸發器同步。 MCU使用一個4MHz的主時鐘，通過內部分頻器可以得到期望的時鐘頻率，將該頻率作為16位遞減計數器的輸入。PCSR是一個用于設置間隙時間的16位數據寄存器；PDUT是用于占空比設置的16位比較寄存器，也是一個引腳控制字段。脈沖輸出的間隙時間和占空比可以通過改變這兩個16位寄存器的值來自由設置，該特性能幫助PPG工作在PWM模式。在PWM模式中，當外部觸發信號位于“P05/SCK1/TRG”引腳處，或內部軟件觸發器產生信號時，將發出一個起動觸發信號，在檢測到該觸發信號后MCU將產生連續脈沖輸出。另一個重要的16位寄存器是“PCNT”，這是一個PPG控制和狀態寄存器，從0到15位可以用來選擇所需的時鐘、模式(如PWM)、觸發類型、PPG輸出使能，以及中斷請求。 說明了PPG作為PWM輸出的功能配置，通過精確控制PWM輸出的周期和占空比可以改變白熾燈的亮度。MC3392是一個具有故障報告功能的單低邊保護開關。輸入到MC3392的信號可以兼容CMOS、TTL電平，該信號從微控制器的PPG0引腳91輸出。典型的脈沖調制輸出頻率是80Hz，該頻率可以避免產生眼睛可以感覺的閃爍，輸出脈沖的占空比可以在3%至97%之間設置，當為3%時燈不亮，而在97%時燈看起來一直處于導通狀態。MC3392有一個1A的內部短路保護，并具有一個獨特的電流回饋功能。該器件還有一個內部輸出箝位電路，用于感性負載的過流、過壓和過熱保護。因此，MC3392輸出端可以連接燈的數目取決于總負載電流的大小，該電流應小于1A。發光二極管“D1”用來表示出現系統故障，如過壓、過流或熱關斷。 在PWM模式中使用PPG的另一個應用是小型直流風扇所用的電機速度控制，該電路也可以用于小型加熱器控制器或直流燈調光器。在PWM模式下PPG輸出產生一個具有可變通斷比的方型波，平均導通時間可以在10%到100%之間變化，該應用將PPG設置成頻率為400Hz的脈寬調制輸出。 脈寬調制的另一個優點是脈沖能達到滿程供電電壓，從而可以更容易地克服電機內部電阻，產生更大的電機力矩。圖中Q1是N溝道IRF521 MOSFET，用來驅動負載，該功率開關接收柵極脈寬調制電壓，通過源-漏極電流通路來實現對負載電流的開關。當Q1導通時為負載提供一個接地通路，當Q1斷開時，負載的接地斷開。要確保負載端不接地，否則會產生短路。電源電壓一直加在負載的正電壓端，根據不同的脈沖寬度發光二極管產生相應的亮度。電容C3用來平滑開關波形，并過濾掉一些RFI。二極管D2是1N4004，是一個續流二極管，用來斷開來自感性負載的電壓反沖。C4是一個0.1μF/50V的陶瓷電容。當工作負載小于或等于1A時，Q1不需要散熱器，而如果需要更大電流，則需要將Q1替換成一個帶散熱器的大電流器件(如IRFZ34N)。此時，對于某些電機而言還必須用一個更快速和更大電流的二極管來替代D1。 與前面所述的應用相比，除了時鐘頻率、周期和占空比設置寄存器值需要改變外。 在某些應用中需要微控制器用模擬信號來控制外部器件，但一般微控制器芯片上沒有DAC，而外部DAC成本較高。此時，用一個簡單的外部RC電路來構成一個低通濾波器，用MCU PWM模式的PPG定時器來產生模擬信號輸出是一個較好的方法。這樣一個DAC的優點是它的分辨率可以由軟件來設置，并且該DAC的基本原理是產生PWM輸出。電路只用少數外部元件就提供了高分辨率，其缺點是響應慢，并因此產生一個模擬電壓紋波。R和C的值可以用下面的公式來計算： fg=1/2π×Rfilter×Cfilter 這里fg是濾波器頻率，Rfilter是濾波器電阻，Cfilter是濾波器電容。 標準的設計是使fg=(1/10)×fpwm τfilter=10/(2π×fpwm), 給出了外部濾波器的RC時間常數。 標準的設計規則要求Rfilter=Rload/10 按照上面的指導原則可以使濾波器的功耗最小化。如果不遵循上述原則，計算將產生錯誤，使負載電阻相比于濾波器電阻太低，而負載電阻會影響濾波器頻率。由于計算結果與1/10相乘，因此產生的誤差將很小，可以忽略不計。 C=τfilter/Rfilter 在上面的RC參數值下，如果剩下的紋波電壓太高，可以用兩個RC濾波器串聯起來。濾波器的頻率(假設兩個RC濾波器有相同的R和C)可以表示為： C=τfilter/Rfilter fg=(1/10)×fpwm 計算結果如下： τfilter=10/(√2×π×fpwm) Rfilter=Rload/20，Cfilter=πfilter/Rload 這樣，在PWM模式下PPG功能的數字輸出可以用來控制模擬電路，實現低噪聲、高效率、節約空間和低成本的設計。 |
