一种由STC12C2052AD单片机控制的改进型调压电路

0 引言

　　在ZXC10通信电源系统中，上位机输出的PWM调制信号的频率为1 kHz，而且系统要求电源能根据PWM信号的占空比进行调压。即对电源输出电压在40 Vdc～60 Vdc范围内通过此PWM信号进行线性调节。PWM信号5％占空比对应40±0.5 Vdc，95％的占空比对应60±0.5 Vdc。以前此功能是用带有D／A的单片机来实现．即把PWM调制信号输入单片机，通过单片机来计算PWM信号的占空比，再根据PWM信号的占空比与输出电压的关系，并通过D／A转换来产生用于调节输出电压的偏移量，最后通过此偏移量和电源输出反馈量的共同作用来实现调压。

　　1 单片机调压系统

　　通过带有D／A的单片机来实现调压系统的方框图如图1所示。但是，由于带有D／A的单片机比较贵，因而会增加产品成本。而如果把PWM调制信号的频率提高，再经过一个简单的二阶有源低通滤波器来产生调压偏移量，则可用不带D／A转换的单片机来实现调压，这样可以大大节省成本。其改进后的电路方框图如图2所示。

　　2 STC12C2052AD的PCA／PWM工作原理

　　由于STC12C2052AD单片机是作于1个时钟／机器周期，且有增强型8051内核，故其速度比普通8051快8～12倍。该单片机有2路可编程计数器阵列(PCA)／PWM，其中PCA1模块用作捕获模式，可识别输入的PWM调制信号，PCA0模块用作脉宽调节模式(PWM)，可实现频率转换。此外，由于该单片机价格比较便宜，故采用此单片机作为核心控制芯片。

　　2.1 STC12C2052AD单片机的PCA捕获模式

　　STC12C2052AD系列单片机中的PCA可编程计数器阵列含有一个特殊的16位定时器，它可与2个16位捕获／比较模块相连。每个模块可编程工作在4种模式下，即：上升／下降沿捕获、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。设计时，可将模块0连接到P3.7(CEX0／PCA0／PWM0)，模块1连接到P3.5(CEX1／PCA1／PWM1)。由于寄存器CH和CL的内容是正在自由递增计数的16位PCA定时器的值，因此，PCA定时器可作为2个模块的公共时间基准，并可通过编程工作在1／12振荡频率、1／2振荡频率、定时器0溢出或ECI脚的输入(P3.4)。定时器的计数源由CMOD SFR的CPS1和CPS0位来确定。

　　要使PCA模块工作在图3所示的捕获模式，寄存器CCAPMn中的CAPNn和CAPPn至少应有一位必须置1。对模块的外部CEXn输入(包括CEX0／P3.7、CEX1／P3.5、CEX2／P2.0、CEX3／P2.4口)的跳变进行采样时，若采样到有效跳变，其PCA硬件就将PCA计数器阵列寄存器(CH和CL)的值装载到模块的捕获寄存器中(CCAPnL和CCAPnH)。

　　2.2 STC12C2052AD的PCA脉宽调节模式

　　所有PCA模块都可按图4所示的工作模式用作PWM输出。其输出频率取决于PCA定时器的时钟源。由于所有模块均共用仅有的PCA定时器，所以，它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器{EPCnL，CCAPnL}有关。当CL SFR的值小于{EPCnL，CCAPhL}时，输出为低，而当PCA CLSFR的值等于或大于{EPCnL，CCAPnL}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH，CCAPnH}的内容将被装载到{EPCnL，CCAPnL}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。使能PWM模式时，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。由于PWM是8位的，所以可用下式来计算PWM的信号频率：

　　3 PWM信号的接收与转换

　　3.1 PWM调制信号接收模块

　　由于要用PCA1模块来把上位机输出的频率为1 kHz的PWM调制信号的频率提高(因为频率越高，越容易滤波)，故将PCA定时器的时间基准置为1／2振荡频率。用PCA1 (P3.7)模块来识别接收的PWM调制信号时，应使PCA1工作在上升／下降沿捕获工作模式，并打开PCA中断。设计时，可首先设置PCA1工作在上升沿捕获工作模式，这样，当P3.7脚采样到上升沿跳变时，PCA0模块即可将PCA计数器阵列寄存器CH和CL的值装载到模块的捕获寄存器中{CCAP1H,CCAP1L}。然后在中断中把{CCAP1H,CCAP1L}的值存放到自定义的数据单元{UP_DATAH，UP_DATAL}中，并在中断中把PCA1工作模式设置为下降沿捕获工作模式，从而在P3.7脚采样到下降沿跳变时，PCA1模块硬件就可将PCA计数器阵列寄存器{CH，CL)的值装载到模块的捕获寄存器中{CCAP1H,CCAP1L}。之后，再在中断中把{CCAP1H,CCAP1L}的值存放在数据单元{DOWN_DATAH，DOWN_DATAL}中，并利用双字节无符号数减法得出PWM调制信号正脉冲时定时器的计数个数为：

　　N1={DOWN_DATAH，DOWN_DATAL)-{DOWN_DATAH，DOWN_DATAL}

　　由于PWM调制信号的频率为1 kHz，周期T为1 ms。因此，可设1 ms中PCA定时器的计数个数为N2，则PWM调制信号的占空比为：

　　3.2 PWM调制信号的频率转换

　　上位机输出的PWM调制信号的频率为1 kHz左右。由于该频率比较低，直接对其进行滤波后的纹波比较大，因此，在滤波之前，应先把接收的PWM调制信号转变成与占空比成线性比例的高频PWM调制信号，频率转换可通过PCA0 (P3.5)PWM功能模块来实现。由于选择的晶振为20MHz，故可选Fosc／2为PCA／PWM时钟输入源，这样，其PWM的频率为39.062 kHz。

　　这样，当PCA0模块设置为PWM输出模式时，根据PCA脉宽调节模式(PWM)的工作原理，当CCAP0L=FFH时，P3.5将输出占空比为0的PWM信号，而当CCAP0L=80H时，P3.5则输出占空比为50％的PWM信号，当CCAP0L=0时，P3.5会输出占空比为100％的PWM信号。这样，由PCA脉宽调节模式(PWM)的工作原理可得：

　　这样，通过上式即可把频率为1 kHz的PWM信号转换为频率为39.062 kHz的PWM信号，其转换后的PWM占空比与原来的1 kHz的PWM信号成线性比例关系。

　　4 二阶滤波电路

　　图5所示为有源二阶滤波电路的原理图。由有电源变换器的反馈量可知，当调压偏移量为1.5V的时候，电源输出40 V；当调压偏移量为3.0V的时候，电源输出60 V。因此，在PWM信号的占空比为5％时，调节二阶有源滤波器的参数，并通过调节R5／R4来改变运算放大器的增益，然后调节RW1即可改变运算放大器的基准，使偏移量VS为1.5 V；而在PWM信号占空比为95％时，使偏移量VS为3.0 V。这样就可使PWM信号的占空比在5％～95％之间变化，从而使变换器的输出电压在40 Vdc～60 Vdc范围内线性变化。

　　5 仿真验证

　　根据图5进行PSIM仿真验证时，可将仿真参数设定为：R1=R2=R4=R5=10 kΩ，R3=20 kΩ，R6=2 kΩ，R7=1 kΩ，C1=C2=C3=C4=104 pF，从而得出如图6所示的特定占空比的Vs波形。

　　其它特定占空比(D=5％，20％，40％，60％，80％，95％)的仿真记录数据如表1所列。图7所示是该调压电路的PWM信号占空比与Vs调压偏移量的变化曲线。由图可见，该变化呈线性关系。

　　6 结束语

　　本文通过提高PWM调制信号的频率，再结合二阶有源滤波电路，实现了频率到电压的一种转换。该转换可在40Vdc～60Vdc范围内，对ZXC10通信电源的输出电压通过PWM信号进行线性调节，这种方法可以避免使用较贵的D／A转换模块，因而可以节省成本。同时也提高了该电源的工程使用价值。