年俊杰，蘇智劍，吳嘉宜，李向飛

　?。ㄠ嵵荽髮W(xué) 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

       摘要：Cypress半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的片上可編程系統(tǒng)芯片（PSoC）可視為8位微控制器，它包含可實現(xiàn)多重配置的模擬器件、數(shù)字器件和模數(shù)混合器件。研究了基于PSoC的差動式電感傳感器的微控制器設(shè)計方案，實現(xiàn)微控制器與差動式電感傳感器的連接、傳感器輸出信號的整流以及輸出結(jié)果的AD轉(zhuǎn)換等。與需要多個芯片以及外部硬件電路協(xié)調(diào)工作的傳統(tǒng)設(shè)計方案相比，該設(shè)計方案簡化了交流信號的生產(chǎn)與測量工作，在保持高系統(tǒng)性能的同時，縮減了板極空間，降低了系統(tǒng)功耗和成本。

　　關(guān)鍵詞：差動式電感傳感器；片上可編程系統(tǒng)（PSoC）；驅(qū)動器；微控制器

　　中圖分類號：TP202+.2文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2017.06.002

　　引用格式：年俊杰，蘇智劍，吳嘉宜，等. 基于PSoC的同頻反相正弦波發(fā)生器的研究［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（6）：3-6.

0引言

　　在實際應(yīng)用中，很多硬件驅(qū)動器上都需要同頻、相位相差180°的雙路正弦信號。Cypress半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的片上可編程系統(tǒng)芯片（PSoC）可視為8位微控制器，它幾乎不需要外部電路，一片PSoC芯片就可以實現(xiàn)一個電子系統(tǒng)，具有豐富的內(nèi)部資源，比如可實現(xiàn)多重配置的模擬器件、數(shù)字器件和模數(shù)混合器件［1］，如圖1所示。

1發(fā)生器原理

　　基于PSoC產(chǎn)生兩路同頻反相的正弦信號的過程是：先生成方波，然后利用用戶可配置的開關(guān)電容器模塊實現(xiàn)帶通濾波或低通濾波，進而獲得正弦信號［2］。本文將介紹兩種方波發(fā)生方式，兩種方波生成正弦波的方式如圖2所示。

2方波信號

　　PSoC芯片中包含有數(shù)字模塊計數(shù)器、定時器和脈沖調(diào)制用戶模塊。這三種模塊通過不同的設(shè)置，可以實現(xiàn)不同的功能。文中就是利用這三種模塊來實現(xiàn)兩種產(chǎn)生方波的方式。

　　2.1定時器（Timer8）和脈沖調(diào)制（PWM8）模塊產(chǎn)生方波

　　定時器用戶模塊提供了可編程的減值計數(shù)器、時鐘和啟用信號，可以在任何系統(tǒng)時基或外部來源之間進行選擇。一旦啟動，定時器就能夠連續(xù)運行并能在達到最終計數(shù)時，從周期寄存器內(nèi)重新加載定時器的內(nèi)部數(shù)值。

　　PWM用戶模塊提供了可編程周期和脈沖寬度的脈沖寬度調(diào)制器，時鐘和啟用信號可以從若干來源中選擇，每個脈沖循環(huán)的周期值自動重新加載。

　　方波頻率的計算公式為：

　　方波占空比計算公式為：

　　q=(PulseWidth+1)/(Period+1)(2)

　　2.2計數(shù)器（Counter16）模塊產(chǎn)生方波

　　計數(shù)器用戶模塊提供周期和脈沖寬度可編程的減值計數(shù)器。時鐘和啟用信號可以在任何系統(tǒng)時基或外部來源之間進行選擇，終端計數(shù)周期自動重新載入。

　　方波的頻率計算公式為：

　　方波占空比計算公式為：

　　q=(CompareValue+1)/(Period+1)(4)

3正弦波發(fā)生器

　　3.1低通濾波器（LPF2）產(chǎn)生正弦波

　　LPF2用戶模塊是一種通用型的二階狀態(tài)變量濾波器，也稱雙二次低通濾波器。它可以通過設(shè)置參數(shù)實現(xiàn)任何一種經(jīng)典的全極點濾波器。轉(zhuǎn)折頻率和阻尼比均為時鐘頻率以及電容器數(shù)值比率的函數(shù)［3］。轉(zhuǎn)折頻率可以通過控制采樣頻率時鐘來精確地設(shè)置或調(diào)整。這種產(chǎn)生正弦波的方式其PSoC數(shù)字模塊內(nèi)部連接如圖3所示。

　　低通濾波器的原理圖如圖4所示。

　　該濾波器的傳遞函數(shù)表達式為：

　　由此可以得到增益G、轉(zhuǎn)換頻率wn、wo和阻尼率d的設(shè)計公式：

　　對于第一階近似來說，設(shè)計公式可以簡化為更清晰的電容比率關(guān)系：

　　此設(shè)計流程目標(biāo)是為了得到盡可能高的時鐘頻率fclk，以達到最佳的保真度和最低的混疊現(xiàn)象。將CA和CB設(shè)置為32，將C2設(shè)置為最小的整數(shù)值1，C4的初始值設(shè)置為最大值31，根據(jù)C3≥d2C2CACBC4, 算出最小數(shù)值C3，根據(jù)下式

　　C4=dCACBC2/C3（12）

　　修改C4并取最接近的整數(shù)。根據(jù)公式(11)來計算fclk，由

　　求VC1，并取最接近的整數(shù)。

　　根據(jù)公式（7）和公式（8）來調(diào)節(jié)數(shù)值C2、C3和C4以達成要求的數(shù)值d和ω0，通常，通過減少C4來滿足d的要求。重新計算系統(tǒng)時鐘頻率以采用更新的電容器數(shù)值來滿足ω0的要求。

　　3.2帶通濾波器（BPF2）產(chǎn)生正弦波

　　BPF2用戶模塊是一種通用型的二階狀態(tài)變量帶通濾波器，也稱雙二次帶通濾波器，中心頻率和Q值（中心頻率與帶寬的比率）均為時鐘頻率以及所選定的電容數(shù)值比率函數(shù)。中心頻率可以通過控制采樣頻率時鐘來精確地設(shè)置或調(diào)整。

　　這種產(chǎn)生正弦波的方式其PSoC數(shù)字模塊內(nèi)部連接如圖5所示。

　　帶通濾波器原理圖如圖6。

　　帶通濾波器的傳遞函數(shù)表達式如下。

　　主要參數(shù)表達式：

　　針對中心頻率和中帶寬增益的濾波器要求，如果已知高-3 dB和低-3 dB點的fu和fl，可以計算中心頻率:

　　fC=fufl(18)

　　將CA和CB設(shè)置為32，設(shè)置C2、C3的初始值等于極點對的Q值。根據(jù)以上公式計算：

　　C4取最接近的整數(shù)，如果C4為負數(shù)或虛數(shù)，則需要調(diào)整C3的數(shù)值，重新排列公式(17)可計算出C4，必要時需要迭代。

　　重新排列公式(15)，可計算采樣頻率：

　　OSR=fsfC（20）

　　OSR應(yīng)盡量大，以達到最佳的保真度和最低的混疊現(xiàn)象，如果OSR小于5.0，則調(diào)節(jié)C2并重新計算。

　　根據(jù)下式：

　　求VC1，取最接近的整數(shù)，再重新計算采樣頻率和中心頻率，最后計算Q和增益G值。

　　3.3頻率及幅值設(shè)置

　　在帶通濾波器設(shè)計中，各個參數(shù)均可以求出。根據(jù)所需頻率，調(diào)整方波發(fā)生器各模塊的參數(shù)即可。由于每個參數(shù)只能取整，重新計算輸出頻率后，再調(diào)整帶通濾波器的參數(shù)，可以達到最佳效果。

　　方波經(jīng)過濾波器后會有一定的衰減，可以根據(jù)式（16）所示的增益G的計算公式調(diào)整參數(shù)來實現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)，最直接的方式是調(diào)整C1，并不影響濾波器的性質(zhì)，但C1只能取整，而調(diào)整增益G公式的其他參數(shù)，則需要重新設(shè)計帶通濾波器，十分麻煩，因此增加了可編譯增益放大器PGA，通過調(diào)整C1和PGA的參數(shù)即可得到想要的增益。

4結(jié)果及分析

　　由于方波產(chǎn)生、方波轉(zhuǎn)為正弦波各有兩種設(shè)計方式，故有四種方式產(chǎn)生正弦信號，這里稱2.1節(jié)中產(chǎn)生的方波經(jīng)低通濾波后的正弦波發(fā)生的設(shè)計為方案一，稱用2.2節(jié)產(chǎn)生的方波經(jīng)低通濾波后的正弦波發(fā)生的設(shè)計為方案二，稱2.1節(jié)的方波經(jīng)帶通濾波后的正弦波發(fā)生的設(shè)計為方案三，稱2.2節(jié)的方波經(jīng)帶通濾波后的正弦波發(fā)生的設(shè)計為方案四，利用臺達發(fā)生器產(chǎn)生雙路反向方波為方案五。為了便于分析，通過調(diào)整全局變量、各模塊參數(shù)使2.1節(jié)和2.2節(jié)中產(chǎn)生的兩路方波頻率為8 kHz、峰峰值為5 V,根據(jù)方波信號，配置好低通濾波器及帶通濾波器的參數(shù)，產(chǎn)生頻率為8 kHz、峰峰值為2.8 V的雙路正弦信號。

　　由四個方案的波形并不能觀測出方波發(fā)生方式的不同對正弦信號有何影響，但可知低通濾波和帶通濾波由于芯片內(nèi)電容不同，衰減程度不同，現(xiàn)在主要分析這四種方案波形的穩(wěn)定性及同頻性。

　　本文采集每種方案的2 500個點進行數(shù)據(jù)擬合分析，可得表1，將每種方案的兩路正弦信號相加，進行數(shù)據(jù)采集,每組數(shù)據(jù)同樣采集2 500個點，如表2所示。為了驗證發(fā)生器可以應(yīng)用在實際工作中，在同樣的條件下文中采集了臺達DG1022發(fā)生器產(chǎn)生的雙路正弦信號的2 500個點進行數(shù)據(jù)對比分析。由表1、表2數(shù)據(jù)分析可得，四種方案波形的R Value值都很接近1，說明正弦波的波形很好，根據(jù)平均殘差平方的大小，方案一、方案二與臺達發(fā)生器信號的殘差平方大小一致，最為接近正弦波，也可以得出經(jīng)過低通濾波器得到的波形更接近正弦波的結(jié)論。產(chǎn)生信號的波動均在4.5%左右，說明設(shè)計的四種同頻反相正弦發(fā)生器的穩(wěn)定性及同頻性均很好。5結(jié)論

　　所設(shè)計的同頻反相正弦波發(fā)生器完全使用PSoC內(nèi)部資源，大幅度降低了系統(tǒng)體積和成本，開發(fā)時間短，修改性和重構(gòu)性好，并且根據(jù)測量數(shù)據(jù)結(jié)果分析，文中所研究的四種發(fā)生器同頻性及穩(wěn)定性均很好，可以用于實際工作中，并且在設(shè)計確定頻率之后，通過修改參數(shù)，可以得到任何想要的幅值。

　　參考文獻

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