PWM轉(zhuǎn)I/O信號(hào)的電路設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)

徐文寬，連龍剛，王保成，周江華

(中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京 100094)

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PWM轉(zhuǎn)I/O信號(hào)的電路設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)

徐文寬，連龍剛，王保成，周江華

(中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京 100094)

設(shè)計(jì)了PWM信號(hào)轉(zhuǎn)I/O信號(hào)的電路，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。將可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123與上升沿觸發(fā)的D-type觸發(fā)器74HC74配合使用，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻來(lái)調(diào)節(jié)74HC123的時(shí)間參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)將PWM輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為I/O信號(hào)。通過(guò)純硬件電路實(shí)現(xiàn)了PWM信號(hào)轉(zhuǎn)I/O信號(hào)，仿真結(jié)果與電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；I/O信號(hào)；振蕩器；觸發(fā)器；仿真

0 引言

最近幾年，飛艇技術(shù)迅速發(fā)展，飛行控制技術(shù)的快速進(jìn)步則起到了至關(guān)重要的作用。飛行控制計(jì)算機(jī)作為飛艇飛行的控制中心，負(fù)責(zé)艇上大多數(shù)關(guān)鍵設(shè)備的控制，包括鼓風(fēng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣閥、壓艙閥、撕裂幅等設(shè)備的開關(guān)。

MP2028是加拿大某公司設(shè)計(jì)的一款飛行控制計(jì)算機(jī)，其輸出信號(hào)只有脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)信號(hào)。而飛艇上的大多數(shù)設(shè)備的控制需要的是一個(gè)I/O信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一款電路將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為I/O信號(hào)，根據(jù)PWM信號(hào)的脈寬來(lái)決定輸出信號(hào)電平的高低，從而實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備的開啟和關(guān)閉。本文詳細(xì)介紹此電路的原理、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 電路原理[1-3]

在該電路中，控制電路為低電壓、小電流，被控電路為高電壓、大電流，因此需要通過(guò)繼電器來(lái)控制被控電路的開斷。

該電路主要通過(guò)兩款芯片74HC123和74HC74來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)到I/O信號(hào)的轉(zhuǎn)換，原理圖如圖1所示。

1.1 原理圖介紹

該電路可以分為四個(gè)模塊，分別是：電源模塊、信號(hào)輸入模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和輸出模塊。電源模塊由L7805電源芯片將5～24 V電壓轉(zhuǎn)化為5 V電壓；信號(hào)輸入模塊有兩路，由兩個(gè)三針接線端子J2、J3組成，電容C6、C7和下拉電阻R5、R6主要是為了濾除高頻干擾。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)的核心，由可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123和上升沿觸發(fā)的D-type觸發(fā)器74HC74兩個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的轉(zhuǎn)換，每塊芯片內(nèi)部集成兩組完全相同的功能，C4、R1和C5、R2分別實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的時(shí)間常數(shù)的調(diào)節(jié)。輸出模塊由三極管T1、T2分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電磁繼電器K1、K2實(shí)現(xiàn)，二極管D3、D4用來(lái)吸收電磁繼電器斷電瞬間線圈的感應(yīng)電流。

1.2 時(shí)序分析

74HC123為可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其功能表如表1所示。

表1 74HC123芯片的功能表

圖1 電路原理圖

74HC74是一款上升沿觸發(fā)的D-type觸發(fā)器，其功能表如表2所示。

表2 74HC74芯片的功能表

圖2 電路時(shí)序圖

從圖中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)nB的脈寬小于tW時(shí)，輸出信號(hào)Q變?yōu)榈碗娖?；?dāng)輸入信號(hào)nB的脈寬大于tW時(shí)，輸出信號(hào)Q變?yōu)楦唠娖?。因此，可以把輸出信?hào)Q作為一個(gè)開關(guān)信號(hào)，其開關(guān)由輸入nB信號(hào)的脈寬和tW共同決定。

1.3 參數(shù)計(jì)算

tW由74HC123芯片的外接電阻REXT和外接電容CEXT決定，公式如下：

tW=0.55×REXT×CEXT

MP2028的輸出脈寬信號(hào)可以在1 ms～2 ms間任意可調(diào)，所以可以選擇合適的REXT和CEXT的值，使tW在1.5 ms左右。根據(jù)公式計(jì)算選取C4和C5為0.01 μF，R1和R2為333 kΩ。在電路中可以把REXT設(shè)計(jì)為可調(diào)電阻，這樣就有很大的靈活性了。

2 電路仿真

使用Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真原理如圖3所示。分別設(shè)置輸入信號(hào)的脈寬為1.2 ms和1.8 ms的輸出信號(hào),仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示。其中方波為輸入信號(hào)，另一條線為輸出信號(hào)。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期完全相符。

圖4 輸入信號(hào)脈寬為1.2 ms時(shí)的仿真結(jié)果

3 電路實(shí)驗(yàn)

按照電路原理圖設(shè)計(jì)了PCB，并制作了實(shí)際電路板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，輸出信號(hào)由示波器采集。輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的波形分別如圖6～圖9所示。

圖3 電路仿真原理圖

圖5 輸入信號(hào)脈寬為1.8 ms時(shí)的仿真結(jié)果

圖6 脈寬為1.2 ms的輸入信號(hào)波形

圖7 輸入信號(hào)脈寬為1.2 ms時(shí)的輸出波形

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此電路的設(shè)計(jì)完全符合預(yù)期，實(shí)現(xiàn)了由PWM信號(hào)到I/O信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了PWM信號(hào)轉(zhuǎn)I/O信號(hào)電路的原理、仿真和實(shí)驗(yàn)情況。通過(guò)可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123和上升沿觸發(fā)的D-type觸發(fā)器74HC74配合使用，實(shí)現(xiàn)了脈寬閾值可調(diào)的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)I/O信號(hào)電路。此電路為純硬件電路，具有簡(jiǎn)單、可靠且參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。

圖8 脈寬為1.8 ms的輸入信號(hào)波形

圖9 輸入信號(hào)脈寬為1.8 ms時(shí)的輸出波形

[1] 閆石等.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 吳征,蘇淑靖.基于FPGA+PWM的多路信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(3):38-40,44.

[3] 郭林杰,趙建勇.基于雙PWM協(xié)調(diào)控制的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(8):68-71.

Design, simulation and experiment of a circuit for converting PWM signal to I/O signal

Xu Wenkuan，Lian Longgang，Wang Baocheng，Zhou Jianghua

(Academy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Science, Beijing 100094, China)

We propose a solution to convert PWM signal to I/O signal, including the circuit design, simulation and experiment. PWM signal was converted to I/O signal by using retriggerable monostable multivibrator 74HC123 and positive-edge triggerable D-type flip-flop 74HC74, and the time parameter can be changed by adjusting the variable resistor. It was realized by using only hardware circuit. The experiment was consistent with the simulation.

pulse width modulation signal, input/output signal, vibrator, flip-flop, simulation

TP302.1

A

1674-7720(2016)07- 0022- 03

徐文寬，連龍剛，王保成，等. PWM轉(zhuǎn)I/O信號(hào)的電路設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(7)：22-24.

2015-12-07)

徐文寬(1982-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：航空電子技術(shù)。E-mail:xuwk@aoe.ac.cn。

連龍剛(1982-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：通信技術(shù)。

王保成(1974-)，男,博士，副研究員，主要研究方向：航空電子技術(shù)。