年俊杰,，蘇智劍,，吳嘉宜,，李向飛

　　（鄭州大學(xué) 機(jī)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(shí)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(dòng)式電感傳感器的微控制器設(shè)計(jì)方案,，實(shí)現(xiàn)微控制器與差動(dòng)式電感傳感器的連接、傳感器輸出信號(hào)的整流以及輸出結(jié)果的AD轉(zhuǎn)換等,。與需要多個(gè)芯片以及外部硬件電路協(xié)調(diào)工作的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比,，該設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)化了交流信號(hào)的生產(chǎn)與測(cè)量工作，在保持高系統(tǒng)性能的同時(shí),，縮減了板極空間,，降低了系統(tǒng)功耗和成本。

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

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP202+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)與應(yīng)用,，2017,36（6）：3-6.

0引言

　　在實(shí)際應(yīng)用中，很多硬件驅(qū)動(dòng)器上都需要同頻,、相位相差180°的雙路正弦信號(hào),。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(shí)現(xiàn)一個(gè)電子系統(tǒng),，具有豐富的內(nèi)部資源，比如可實(shí)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(hào)的過(guò)程是：先生成方波,，然后利用用戶可配置的開(kāi)關(guān)電容器模塊實(shí)現(xiàn)帶通濾波或低通濾波,，進(jìn)而獲得正弦信號(hào)［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(hào)

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

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

　　定時(shí)器用戶模塊提供了可編程的減值計(jì)數(shù)器,、時(shí)鐘和啟用信號(hào),，可以在任何系統(tǒng)時(shí)基或外部來(lái)源之間進(jìn)行選擇。一旦啟動(dòng),，定時(shí)器就能夠連續(xù)運(yùn)行并能在達(dá)到最終計(jì)數(shù)時(shí),，從周期寄存器內(nèi)重新加載定時(shí)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(shí)鐘和啟用信號(hào)可以從若干來(lái)源中選擇,，每個(gè)脈沖循環(huán)的周期值自動(dòng)重新加載。

　　方波頻率的計(jì)算公式為：

　　方波占空比計(jì)算公式為：

　　q=(PulseWidth+1)/(Period+1)(2)

　　2.2計(jì)數(shù)器（Counter16）模塊產(chǎn)生方波

　　計(jì)數(shù)器用戶模塊提供周期和脈沖寬度可編程的減值計(jì)數(shù)器,。時(shí)鐘和啟用信號(hào)可以在任何系統(tǒng)時(shí)基或外部來(lái)源之間進(jìn)行選擇,，終端計(jì)數(shù)周期自動(dòng)重新載入。

　　方波的頻率計(jì)算公式為：

　　方波占空比計(jì)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(chēng)雙二次低通濾波器,。它可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)任何一種經(jīng)典的全極點(diǎn)濾波器。轉(zhuǎn)折頻率和阻尼比均為時(shí)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(guò)控制采樣頻率時(shí)鐘來(lái)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(dá)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(jì)公式：

　　對(duì)于第一階近似來(lái)說(shuō),，設(shè)計(jì)公式可以簡(jiǎn)化為更清晰的電容比率關(guān)系：

　　此設(shè)計(jì)流程目標(biāo)是為了得到盡可能高的時(shí)鐘頻率fclk,，以達(dá)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(lái)計(jì)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(lái)調(diào)節(jié)數(shù)值C2、C3和C4以達(dá)成要求的數(shù)值d和ω0,，通常,，通過(guò)減少C4來(lái)滿足d的要求。重新計(jì)算系統(tǒng)時(shí)鐘頻率以采用更新的電容器數(shù)值來(lái)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(chēng)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(shí)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(guò)控制采樣頻率時(shí)鐘來(lái)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(dá)式如下,。

　　主要參數(shù)表達(dá)式：

　　針對(duì)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(diǎn)的fu和fl，可以計(jì)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(diǎn)對(duì)的Q值。根據(jù)以上公式計(jì)算：

　　C4取最接近的整數(shù),，如果C4為負(fù)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(jì)算出C4,，必要時(shí)需要迭代,。

　　重新排列公式(15)，可計(jì)算采樣頻率：

　　OSR=fsfC（20）

　　OSR應(yīng)盡量大,，以達(dá)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(jì)算,。

　　根據(jù)下式：

　　求VC1,，取最接近的整數(shù)，再重新計(jì)算采樣頻率和中心頻率,，最后計(jì)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(jì)中,，各個(gè)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(gè)參數(shù)只能取整,，重新計(jì)算輸出頻率后，再調(diào)整帶通濾波器的參數(shù),，可以達(dá)到最佳效果,。

　　方波經(jīng)過(guò)濾波器后會(huì)有一定的衰減，可以根據(jù)式（16）所示的增益G的計(jì)算公式調(diào)整參數(shù)來(lái)實(shí)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(jì)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(guò)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(jì)方式,，故有四種方式產(chǎn)生正弦信號(hào),，這里稱(chēng)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(jì)為方案一，稱(chēng)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(jì)為方案二,，稱(chēng)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(jì)為方案三,，稱(chēng)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(jì)為方案四，利用臺(tái)達(dá)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(guò)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(hào),，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(hào),。

　　由四個(gè)方案的波形并不能觀測(cè)出方波發(fā)生方式的不同對(duì)正弦信號(hào)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(gè)點(diǎn)進(jìn)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(hào)相加，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,每組數(shù)據(jù)同樣采集2 500個(gè)點(diǎn),，如表2所示,。為了驗(yàn)證發(fā)生器可以應(yīng)用在實(shí)際工作中，在同樣的條件下文中采集了臺(tái)達(dá)DG1022發(fā)生器產(chǎn)生的雙路正弦信號(hào)的2 500個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)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(shuō)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(tái)達(dá)發(fā)生器信號(hào)的殘差平方大小一致,，最為接近正弦波，也可以得出經(jīng)過(guò)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(hào)的波動(dòng)均在4.5%左右,，說(shuō)明設(shè)計(jì)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(jì)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(kāi)發(fā)時(shí)間短,，修改性和重構(gòu)性好，并且根據(jù)測(cè)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(shí)際工作中，并且在設(shè)計(jì)確定頻率之后,，通過(guò)修改參數(shù),，可以得到任何想要的幅值。

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