STC12C2052AD單片機控制的改進型調壓電路

0 引言

在ZXC10通信電源系統中，上位機輸出的PWM調制信號的頻率為1 kHz，而且系統要求電源能根據PWM信號的占空比進行調壓。即對電源輸出電壓在40 Vdc～60 Vdc范圍內通過此PWM信號進行線性調節。PWM信號5％占空比對應40±0.5 Vdc，95％的占空比對應60±0.5 Vdc。以前此功能是用帶有D／A的單片機來實現．即把PWM調制信號輸入單片機，通過單片機來計算PWM信號的占空比，再根據PWM信號的占空比與輸出電壓的關系，并通過D／A轉換來產生用于調節輸出電壓的偏移量，最后通過此偏移量和電源輸出反饋量的共同作用來實現調壓。

1 單片機調壓系統

通過帶有D／A的單片機來實現調壓系統的方框圖如圖1所示。但是，由于帶有D／A的單片機比較貴，因而會增加產品成本。而如果把PWM調制信號的頻率提高，再經過一個簡單的二階有源低通濾波器來產生調壓偏移量，則可用不帶D／A轉換的單片機來實現調壓，這樣可以大大節省成本。其改進后的電路方框圖如圖2所示。

2 STC12C2052AD的PCA／PWM工作原理

由于STC12C2052AD單片機是作于1個時鐘／機器周期，且有增強型8051內核，故其速度比普通8051快8～12倍。該單片機有2路可編程計數器陣列(PCA)／PWM，其中PCA1模塊用作捕獲模式，可識別輸入的PWM調制信號，PCA0模塊用作脈寬調節模式(PWM)，可實現頻率轉換。此外，由于該單片機價格比較便宜，故采用此單片機作為核心控制芯片。

2.1 STC12C2052AD單片機的PCA捕獲模式

STC12C2052AD系列單片機中的PCA可編程計數器陣列含有一個特殊的16位定時器，它可與2個16位捕獲／比較模塊相連。每個模塊可編程工作在4種模式下，即：上升／下降沿捕獲、軟件定時器、高速輸出或可調制脈沖輸出。設計時，可將模塊0連接到P3.7(CEX0／PCA0／PWM0)，模塊1連接到P3.5(CEX1／PCA1／PWM1)。由于寄存器CH和CL的內容是正在自由遞增計數的16位PCA定時器的值，因此，PCA定時器可作為2個模塊的公共時間基準，并可通過編程工作在1／12振蕩頻率、1／2振蕩頻率、定時器0溢出或ECI腳的輸入(P3.4)。定時器的計數源由CMOD SFR的CPS1和CPS0位來確定。

要使PCA模塊工作在圖3所示的捕獲模式，寄存器CCAPMn中的CAPNn和CAPPn至少應有一位必須置1。對模塊的外部CEXn輸入(包括CEX0／P3.7、CEX1／P3.5、CEX2／P2.0、CEX3／P2.4口)的跳變進行采樣時，若采樣到有效跳變，其PCA硬件就將PCA計數器陣列寄存器(CH和CL)的值裝載到模塊的捕獲寄存器中(CCAPnL和CCAPnH)。

2.2 STC12C2052AD的PCA脈寬調節模式

所有PCA模塊都可按圖4所示的工作模式用作PWM輸出。其輸出頻率取決于PCA定時器的時鐘源。由于所有模塊均共用僅有的PCA定時器，所以，它們的輸出頻率相同。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器{EPCnL，CCAPnL}有關。當CL SFR的值小于{EPCnL，CCAPhL}時，輸出為低，而當PCA CLSFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為高。當CL的值由FF變為00溢出時，{EPCnH，CCAPnH}的內容將被裝載到{EPCnL，CCAPnL}中。這樣就可實現無干擾地更新PWM。使能PWM模式時，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。由于PWM是8位的，所以可用下式來計算PWM的信號頻率：

3 PWM信號的接收與轉換

3.1 PWM調制信號接收模塊

由于要用PCA1模塊來把上位機輸出的頻率為1 kHz的PWM調制信號的頻率提高(因為頻率越高，越容易濾波)，故將PCA定時器的時間基準置為1／2振蕩頻率。用PCA1 (P3.7)模塊來識別接收的PWM調制信號時，應使PCA1工作在上升／下降沿捕獲工作模式，并打開PCA中斷。設計時，可首先設置PCA1工作在上升沿捕獲工作模式，這樣，當P3.7腳采樣到上升沿跳變時，PCA0模塊即可將PCA計數器陣列寄存器CH和CL的值裝載到模塊的捕獲寄存器中{CCAP1H,CCAP1L}。然后在中斷中把{CCAP1H,CCAP1L}的值存放到自定義的數據單元{UP_DATAH，UP_DATAL}中，并在中斷中把PCA1工作模式設置為下降沿捕獲工作模式，從而在P3.7腳采樣到下降沿跳變時，PCA1模塊硬件就可將PCA計數器陣列寄存器{CH，CL)的值裝載到模塊的捕獲寄存器中{CCAP1H,CCAP1L}。之后，再在中斷中把{CCAP1H,CCAP1L}的值存放在數據單元{DOWN_DATAH，DOWN_DATAL}中，并利用雙字節無符號數減法得出PWM調制信號正脈沖時定時器的計數個數為：

N1={DOWN_DATAH，DOWN_DATAL)-{DOWN_DATAH，DOWN_DATAL}

由于PWM調制信號的頻率為1 kHz，周期T為1 ms。因此，可設1 ms中PCA定時器的計數個數為N2，則PWM調制信號的占空比為：

3.2 PWM調制信號的頻率轉換

上位機輸出的PWM調制信號的頻率為1 kHz左右。由于該頻率比較低，直接對其進行濾波后的紋波比較大，因此，在濾波之前，應先把接收的PWM調制信號轉變成與占空比成線性比例的高頻PWM調制信號，頻率轉換可通過PCA0 (P3.5)PWM功能模塊來實現。由于選擇的晶振為20MHz，故可選Fosc／2為PCA／PWM時鐘輸入源，這樣，其PWM的頻率為39.062 kHz。

這樣，當PCA0模塊設置為PWM輸出模式時，根據PCA脈寬調節模式(PWM)的工作原理，當CCAP0L=FFH時，P3.5將輸出占空比為0的PWM信號，而當CCAP0L=80H時，P3.5則輸出占空比為50％的PWM信號，當CCAP0L=0時，P3.5會輸出占空比為100％的PWM信號。這樣，由PCA脈寬調節模式(PWM)的工作原理可得：

這樣，通過上式即可把頻率為1 kHz的PWM信號轉換為頻率為39.062 kHz的PWM信號，其轉換后的PWM占空比與原來的1 kHz的PWM信號成線性比例關系。

4 二階濾波電路

圖5所示為有源二階濾波電路的原理圖。由有電源變換器的反饋量可知，當調壓偏移量為1.5V的時候，電源輸出40 V；當調壓偏移量為3.0V的時候，電源輸出60 V。因此，在PWM信號的占空比為5％時，調節二階有源濾波器的參數，并通過調節R5／R4來改變運算放大器的增益，然后調節RW1即可改變運算放大器的基準，使偏移量VS為1.5 V；而在PWM信號占空比為95％時，使偏移量VS為3.0 V。這樣就可使PWM信號的占空比在5％～95％之間變化，從而使變換器的輸出電壓在40 Vdc～60 Vdc范圍內線性變化。

5 仿真驗證

根據圖5進行PSIM仿真驗證時，可將仿真參數設定為：R1=R2=R4=R5=10 kΩ，R3=20 kΩ，R6=2 kΩ，R7=1 kΩ，C1=C2=C3=C4=104 pF，從而得出如圖6所示的特定占空比的Vs波形。

其它特定占空比(D=5％，20％，40％，60％，80％，95％)的仿真記錄數據如表1所列。圖7所示是該調壓電路的PWM信號占空比與Vs調壓偏移量的變化曲線。由圖可見，該變化呈線性關系。

6 結束語

本文通過提高PWM調制信號的頻率，再結合二階有源濾波電路，實現了頻率到電壓的一種轉換。該轉換可在40Vdc～60Vdc范圍內，對ZXC10通信電源的輸出電壓通過PWM信號進行線性調節，這種方法可以避免使用較貴的D／A轉換模塊，因而可以節省成本。同時也提高了該電源的工程使用價值。