可编程脉冲发生器实现PWM和DAC功能

　　在要求脉宽调制(PWM)输出功能或需要产生模拟电压来控制外部器件，而微控制器本身内部不具备这些功能时，有几种方法可以用来产生脉宽调制输出，简单的方法是从微控制器专用PWM定时器中产生。然而，并不是所有的微控制器都具有PWM定时器。另一种方法是用片上16位可编程脉冲发生器(PPG)的定时器来实现该功能，内置16位PPG定时器的微控制器可以配置成PWM模式来产生周期不变、具有各种脉冲宽度的波形，并与一个专用的外部或软件触发器保持同步。

      PWM的一些典型应用如控制汽车尾灯或仪表盘亮度的调光器、小型直流风扇的电机速度控制器、小型加热器控制器，甚至是数模转换器(DAC)，在这些DAC上增加一些简单的外部电路，就可以在要求不太高的应用中用来控制外部器件。

　　为一个仪表盘灯光调节器，MB90F428G是一个具有PPG功能的微控制器。将微控制器的16位PPG定时器配置为连续PWM模式来获得脉宽调制输出，以用于汽车仪表盘灯光亮度控制。产生的PWM与内部软件触发器同步，或与一个外部触发器同步。

      MCU使用一个4MHz的主时钟，通过内部分频器可以得到期望的时钟频率，将该频率作为16位递减计数器的输入。PCSR是一个用于设置间隙时间的16位数据寄存器；PDUT是用于占空比设置的16位比较寄存器，也是一个引脚控制字段。脉冲输出的间隙时间和占空比可以通过改变这两个16位寄存器的值来自由设置，该特性能帮助PPG工作在PWM模式。在PWM模式中，当外部触发信号位于“P05/SCK1/TRG”引脚处，或内部软件触发器产生信号时，将发出一个起动触发信号，在检测到该触发信号后MCU将产生连续脉冲输出。另一个重要的16位寄存器是“PCNT”，这是一个PPG控制和状态寄存器，从0到15位可以用来选择所需的时钟、模式(如PWM)、触发类型、PPG输出使能，以及中断请求。

　　说明了PPG作为PWM输出的功能配置，通过控制PWM输出的周期和占空比可以改变白炽灯的亮度。MC3392是一个具有故障功能的单低边保护开关。输入到MC3392的信号可以兼容CMOS、TTL电平，该信号从微控制器的PPG0引脚91输出。典型的脉冲调制输出频率是80Hz，该频率可以避免产生眼睛可以感觉的闪烁，输出脉冲的占空比可以在3%至97%之间设置，当为3%时灯不亮，而在97%时灯看起来一直处于导通状态。MC3392有一个1A的内部短路保护，并具有一个独特的电流回馈功能。该器件还有一个内部输出箝位电路，用于感性负载的过流、过压和过热保护。因此，MC3392输出端可以连接灯的数目取决于总负载电流的大小，该电流应小于1A。发光二极管“D1”用来表示出现系统故障，如过压、过流或热关断。

      在PWM模式中使用PPG的另一个应用是小型直流风扇所用的电机速度控制，该电路也可以用于小型加热器控制器或直流灯调光器。在PWM模式下PPG输出产生一个具有可变通断比的方型波，平均导通时间可以在10%到100%之间变化，该应用将PPG设置成频率为400Hz的脉宽调制输出。

      脉宽调制的另一个优点是脉冲能达到满程供电电压，从而可以更容易地克服电机内部电阻，产生更大的电机力矩。图中Q1是N沟道IRF521 MOSFET，用来驱动负载，该功率开关接收栅极脉宽调制电压，通过源-漏极电流通路来实现对负载电流的开关。当Q1导通时为负载提供一个接地通路，当Q1断开时，负载的接地断开。要确保负载端不接地，否则会产生短路。电源电压一直加在负载的正电压端，根据不同的脉冲宽度发光二极管产生相应的亮度。电容C3用来平滑开关波形，并过滤掉一些RFI。二极管D2是1N4004，是一个续流二极管，用来断开来自感性负载的电压反冲。C4是一个0.1μF/50V的陶瓷电容。当工作负载小于或等于1A时，Q1不需要散热器，而如果需要更大电流，则需要将Q1替换成一个带散热器的大电流器件(如IRFZ34N)。此时，对于某些电机而言还必须用一个更快速和更大电流的二极管来替代D1。

      与前面所述的应用相比，除了时钟频率、周期和占空比设置寄存器值需要改变外。

      在某些应用中需要微控制器用模拟信号来控制外部器件，但一般微控制器芯片上没有DAC，而外部DAC成本较高。此时，用一个简单的外部RC电路来构成一个低通滤波器，用MCU PWM模式的PPG定时器来产生模拟信号输出是一个较好的方法。这样一个DAC的优点是它的分辨率可以由软件来设置，并且该DAC的基本原理是产生PWM输出。电路只用少数外部元件就提供了高分辨率，其缺点是响应慢，并因此产生一个模拟电压纹波。R和C的值可以用下面的公式来计算：

      fg=1/2π×Rfilter×Cfilter

      这里fg是滤波器频率，Rfilter是滤波器电阻，Cfilter是滤波器电容。

      标准的设计是使fg=(1/10)×fpwm

      τfilter=10/(2π×fpwm), 给出了外部滤波器的RC时间常数。

      标准的设计规则要求Rfilter=Rload/10

      按照上面的指导原则可以使滤波器的功耗化。如果不遵循上述原则，计算将产生错误，使负载电阻相比于滤波器电阻太低，而负载电阻会影响滤波器频率。由于计算结果与1/10相乘，因此产生的误差将很小，可以忽略不计。

      C=τfilter/Rfilter

      在上面的RC参数值下，如果剩下的纹波电压太高，可以用两个RC滤波器串联起来。滤波器的频率(假设两个RC滤波器有相同的R和C)可以表示为：

      C=τfilter/Rfilter

      fg=(1/10)×fpwm

      计算结果如下：
     
      τfilter=10/(√2×π×fpwm)

      Rfilter=Rload/20，Cfilter=πfilter/Rload

      这样，在PWM模式下PPG功能的数字输出可以用来控制模拟电路，实现低噪声、高效率、节约空间和低成本的设计。