基于STC8G1K17的信号转换方案

在昨天的博文 信号转换问题 | 模拟电路解决方式 中对于前天的 信号转换的解题思路 进行了实物仿真。尽快其中做了些改进，但是在控制二倍频的三角波的频率、幅值、占空比方面还是有很多的问题。主要表现在：

• 控制量之间的耦合，特别是频率，占空比对输出信号幅值的影响；
• 频率对于占空比的影响虽然经过改进之后，还是会有部分的影响；
• 输出心慌可失真，这主要是最后一级从方波到三角波转换的过程中，对于信号的直流分量的变化与波形失真之间的关系；
• 最后一点，也是最重要的一点，就是电路非常复杂。

那么，通过一个单片机是否可以完成同样的功能呢。

下面是选用的STC单片机来实现相同的功能。

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01设计电路¹

1.实验电路设计

^{▲ 实验原理图}

^{▲ 实验电路板}

2.单片机固件设置

使用STC的ISP软件对单片机进行硬件设置，设置IRC频率为35MHz。

^{▲ STC8G1K08单片机硬件设置}

下载基础程序之后的单片机开始能够工作。

^{▲ 下载固件之后的单片机}

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02单片机程序设计²

1.设置PWM输出

STC8G1K 单片机的PWM输出可以有6,7,8,.10等不同的位数。在同样的系统时钟下，不同的位数对应的输出PWM的频率以及精度各不相同。

特别注意：需要在主程序中将PWM输出端口设置为推挽输出模式。

在35MHz下，6bit的PWM频率大约为540kHz。下面是通过510欧姆和0.1uF的电容对输出的PWM波形进行滤波，可以得到比较平滑的直流分量。

^{▲ 设置PWM输出6BIT}

如果设置为8Bit，则输出PWM的波形的频率降低4倍，大约137kHz。通过10k欧姆、0.1uF的阻容滤波，所得到的直流分量可以看到有一些比较明显的波动了。

^{▲ PWM输出以及滤波后的直流信号 8BIT}

2.设置比较器

设置比较器，比较器结果通过CMPOE输出。

特别注意的是，需要明确在主程序中，将比较器的输出通过 PM_PP设置为推挽输出。

#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
}

^{▲ 比较器输出}

在比较器中断中，测量半周期：

//------------------------------------------------------------------------------
#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输出

//------------------------------------------------------------------------------
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);
    }       
}

^{▲ 测试输出波形}

^{▲ 占空比的改变}

^{▲ 改变幅值}

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03极限测试

1. 三角波的占空比可以从0~100%，分成100个等级进行调节；
2. 三角波的幅值从0~256，分成256个等级进行调剂
3. 三角波的频率：5.556Hz

这是由于在单片机中进行波形数据区间长度为：buffer =9000
PWM DA输出是Timer0的中断，时间间隔为 ts=200us。
那么，三角波的周期最长为： buffer * ts = 0.18s。对应的频率为5.556Hz

^{▲ 频率过低的时候出现的波形断续}

4. 三角波的最大频率： 250Hz

由于PWM DA输出的时间间隔为0.2ms，所以按照它它的20倍来估计三角波的最短周期为4ms，对应的频率为250Hz。

下面是对应的三角波的频率在300Hz是的波形，可以明显看出三角波的台阶。

^{▲ 三角波在300Hz是的波形}

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04结论

通过前面的实验，可以验证，通过一个简单的单片机的电路，便可以完成对应的波形转换的功能。不仅简化了设计，同时也提高的波形转换的性能。

本文中所涉及到的硬软件文件可以从以下链接下载：

1. 实验AD设计文件和C51程序

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

2. 单片机软件:C51\STC\Test\2020\Teach\Sin2Tri\Sin2TriSTC8G1K.uvproj ↩︎