基於STC8G1K17的信號轉換方案

在昨天的博文 信號轉換問題 | 模擬電路解決方式 中對於前天的 信號轉換的解題思路 進行了實物仿真。儘快其中做了些改進，但是在控制二倍頻的三角波的頻率、幅值、佔空比方面還是有很多的問題。主要表現在：

• 控制量之間的耦合，特別是頻率，佔空比對輸出信號幅值的影響；
• 頻率對於佔空比的影響雖然經過改進之後，還是會有部分的影響；
• 輸出心慌可失真，這主要是最後一級從方波到三角波轉換的過程中，對於信號的直流分量的變化與波形失真之間的關係；
• 最後一點，也是最重要的一點，就是電路非常複雜。

那麼，通過一個單片機是否可以完成同樣的功能呢。

下面是選用的STC單片機來實現相同的功能。

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01設計電路¹

1.實驗電路設計

^{▲ 實驗原理圖}

^{▲ 實驗電路板}

2.單片機固件設置

使用STC的ISP軟件對單片機進行硬件設置，設置IRC頻率爲35MHz。

^{▲ STC8G1K08單片機硬件設置}

下載基礎程序之後的單片機開始能夠工作。

^{▲ 下載固件之後的單片機}

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02單片機程序設計²

1.設置PWM輸出

STC8G1K 單片機的PWM輸出可以有6,7,8,.10等不同的位數。在同樣的系統時鐘下，不同的位數對應的輸出PWM的頻率以及精度各不相同。

特別注意：需要在主程序中將PWM輸出端口設置爲推輓輸出模式。

在35MHz下，6bit的PWM頻率大約爲540kHz。下面是通過510歐姆和0.1uF的電容對輸出的PWM波形進行濾波，可以得到比較平滑的直流分量。

^{▲ 設置PWM輸出6BIT}

如果設置爲8Bit，則輸出PWM的波形的頻率降低4倍，大約137kHz。通過10k歐姆、0.1uF的阻容濾波，所得到的直流分量可以看到有一些比較明顯的波動了。

^{▲ PWM輸出以及濾波後的直流信號 8BIT}

2.設置比較器

設置比較器，比較器結果通過CMPOE輸出。

特別注意的是，需要明確在主程序中，將比較器的輸出通過 PM_PP設置爲推輓輸出。

#if CMP_EN
void SetCMPPort(unsigned char ucPort) {
    if(ucPort           == CMP_P3) {
        ACC = P_SW2;
        ACC &= ~CMPO_S;
        P_SW2 = ACC;        
    } else if(ucPort    == CMP_P4) {
        ACC = P_SW2;
        ACC &= ~CMPO_S;
        ACC |= CMPO_S;
        P_SW2 = ACC;                
    }
}
void CMPInit(void) {
    CMPCR1 = 0x84;                          // CMPEN CMPIF PIE NIE PIS NIS CMPOE CMPRFESS
                                            // CMPEN:0: Disable Comparator; 1:Enable
                                            // CMPIF : Interrupt flag of comparator
                                            // PIE : 1 Enable Up edge interrupt
                                            // NIE : 1 Enable Down edge interrupt
                                            // PIS : 0 : +=P3.7; 1:=ADC_CHS
    CMPCR1 |= 0x2;                          // NIS : 0 : -=BandGap; 1 : P3.6
                                            // COMPOE : 1 : Result =P3.4,P4.1
                                            // Compare result.
    CMPCR1 |= 0x30;                         // Enable Up and Down Interrupt.
    CMPCR2 = 0x0;                           // INVCOMPO: 0 : Positive; 1 : Inverse output
                                            // DISFLT: 0 : Enable 0.1us analog filter
                                            // LCDTY: Digital Filter
}

^{▲ 比較器輸出}

在比較器中斷中，測量半週期：

//------------------------------------------------------------------------------
#if CMP_INT_EN
void CMP_ISR(void) interrupt 21 {
    CMPCR1 &= ~0x40;                        // Clear the interrupt flag
    if(g_nSignalPeriodCount != g_nSignalPeriod) {
        g_nSignalPeriod = g_nSignalPeriodCount;
        if(g_nSignalPeriod > PWM_BUFFER) {
            g_nSignalPeriod = PWM_BUFFER;
        }
        g_ucSignalPeriodInitFlag = 1;
    }
    g_nSignalPeriodCount = 0;
    g_nSignalPWMBufferPoint = 0;
}
#endif // CMP_INT_EN

3. :初始化TImer0輸出

//------------------------------------------------------------------------------
void InitSignalPWMBuffer(void) {
    unsigned int i;
    unsigned int nUpPeriod, nDownPeriod;
    unsigned long nMax;
    if(g_nSignalPeriod > PWM_BUFFER)
        g_nSignalPeriod = PWM_BUFFER;
    g_ucSignalPeriodInitFlag = 0;
    nMax = g_nSignalPeriod;
    nMax *= g_ucSignalPWMDuty;
    nMax /= 100;
    nUpPeriod = (unsigned int)nMax;
    nDownPeriod = g_nSignalPeriod - nUpPeriod;
    nMax = PWM_MAX;
    nMax = nMax * g_ucSignalPWMAmplitude;
    nMax /= 0xff;
    for(i = 0; i < nUpPeriod; i ++) {
        g_ucSignalPWMBuffer[i] = (unsigned char)(i * nMax / nUpPeriod);
    }
    for(i = 0; i < nDownPeriod; i ++) {
        g_ucSignalPWMBuffer[i + nUpPeriod] = (unsigned char)((nDownPeriod - i) * nMax / nDownPeriod);
    }       
}

^{▲ 測試輸出波形}

^{▲ 佔空比的改變}

^{▲ 改變幅值}

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03極限測試

1. 三角波的佔空比可以從0~100%，分成100個等級進行調節；
2. 三角波的幅值從0~256，分成256個等級進行調劑
3. 三角波的頻率：5.556Hz

這是由於在單片機中進行波形數據區間長度爲：buffer =9000
PWM DA輸出是Timer0的中斷，時間間隔爲 ts=200us。
那麼，三角波的週期最長爲： buffer * ts = 0.18s。對應的頻率爲5.556Hz

^{▲ 頻率過低的時候出現的波形斷續}

4. 三角波的最大頻率： 250Hz

由於PWM DA輸出的時間間隔爲0.2ms，所以按照它它的20倍來估計三角波的最短週期爲4ms，對應的頻率爲250Hz。

下面是對應的三角波的頻率在300Hz是的波形，可以明顯看出三角波的臺階。

^{▲ 三角波在300Hz是的波形}

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04結論

通過前面的實驗，可以驗證，通過一個簡單的單片機的電路，便可以完成對應的波形轉換的功能。不僅簡化了設計，同時也提高的波形轉換的性能。

本文中所涉及到的硬軟件文件可以從以下鏈接下載：

1. 實驗AD設計文件和C51程序

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1. AD工程文件:AD\Teaching\2020\SignalChange\Ver8G1K08.SchDoc ↩︎

2. 單片機軟件:C51\STC\Test\2020\Teach\Sin2Tri\Sin2TriSTC8G1K.uvproj ↩︎