年俊杰，蘇智劍,，吳嘉宜,，李向飛

　　（鄭州大學 機械工程學院,，河南 鄭州 450001）

       摘要：Cypress半導體公司生產的片上可編程系統(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果的AD轉換等,。與需要多個芯片以及外部硬件電路協(xié)調工作的傳統(tǒng)設計方案相比,，該設計方案簡化了交流信號的生產與測量工作，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。

　　關鍵詞：差動式電感傳感器,；片上可編程系統(tǒng)（PSoC）,；驅動器；微控制器

　　中圖分類號：TP202+.2文獻標識碼：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］.微型機與應用,，2017,36（6）：3-6.

0引言

　　在實際應用中,，很多硬件驅動器上都需要同頻、相位相差180°的雙路正弦信號,。Cypress半導體公司生產的片上可編程系統(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,、定時器和脈沖調制用戶模塊,。這三種模塊通過不同的設置，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)兩種產生方波的方式,。

　　2.1定時器（Timer8）和脈沖調制（PWM8）模塊產生方波

　　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,，從周期寄存器內重新加載定時器的內部數(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,。它可以通過設置參數(shù)實現(xiàn)任何一種經典的全極點濾波器,。轉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］。轉折頻率可以通過控制采樣頻率時鐘來精確地設置或調整,。這種產生正弦波的方式其PSoC數(shù)字模塊內部連接如圖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,、轉換頻率wn,、wo和阻尼率d的設計公式：

　　對于第一階近似來說，設計公式可以簡化為更清晰的電容比率關系：

　　此設計流程目標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設置為32，將C2設置為最小的整數(shù)值1,，C4的初始值設置為最大值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置或調整,。

　　這種產生正弦波的方式其PSoC數(shù)字模塊內部連接如圖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設置為32,，設置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頻率及幅值設置

　　在帶通濾波器設計中，各個參數(shù)均可以求出,。根據(jù)所需頻率,，調整方波發(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,，再調整帶通濾波器的參數(shù),，可以達到最佳效果。

　　方波經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的計算公式調整參數(shù)來實現(xiàn)幅值調節(jié),，最直接的方式是調整C1，并不影響濾波器的性質,，但C1只能取整,，而調整增益G公式的其他參數(shù)，則需要重新設計帶通濾波器,，十分麻煩,，因此增加了可編譯增益放大器PGA，通過調整C1和PGA的參數(shù)即可得到想要的增益,。

4結果及分析

　　由于方波產生,、方波轉為正弦波各有兩種設計方式，故有四種方式產生正弦信號,，這里稱2.1節(jié)中產生的方波經低通濾波后的正弦波發(fā)生的設計為方案一,，稱用2.2節(jié)產生的方波經低通濾波后的正弦波發(fā)生的設計為方案二，稱2.1節(jié)的方波經帶通濾波后的正弦波發(fā)生的設計為方案三,，稱2.2節(jié)的方波經帶通濾波后的正弦波發(fā)生的設計為方案四,，利用臺達發(fā)生器產生雙路反向方波為方案五。為了便于分析,，通過調整全局變量,、各模塊參數(shù)使2.1節(jié)和2.2節(jié)中產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,，也可以得出經過低通濾波器得到的波形更接近正弦波的結論。產生信號的波動均在4.5%左右,，說明設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結論

　　所設計的同頻反相正弦波發(fā)生器完全使用PSoC內部資源，大幅度降低了系統(tǒng)體積和成本,，開發(fā)時間短,，修改性和重構性好，并且根據(jù)測量數(shù)據(jù)結果分析,，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

　?。?］ 葉朝暉,，華成英.可編程偏上系統(tǒng)（PSoC）原理及實訓［M］.北京：清華大學出版社，2008.

　?。?］ PETERSON S.PSoC micro controller and LVDT measure position［J］.END China,2006（10）:105108.

　?。?］ 郭帥,何永義.可編程片上系統(tǒng)［J］.機電一體化, 2002，8（6）：4851.