徐文寬，連龍剛，王保成，周江華
（中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京 100094）
摘要：設(shè)計(jì)了PWM信號(hào)轉(zhuǎn)I/O信號(hào)的電路，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。將可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123與上升沿觸發(fā)的Dtype觸發(fā)器74HC74配合使用，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻來(lái)調(diào)節(jié)74HC123的時(shí)間參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)將PWM輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為I/O信號(hào)。通過(guò)純硬件電路實(shí)現(xiàn)了PWM信號(hào)轉(zhuǎn)I/O信號(hào)，仿真結(jié)果與電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
關(guān)鍵詞：脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；I/O信號(hào)；振蕩器；觸發(fā)器；仿真
0引言
最近幾年，飛艇技術(shù)迅速發(fā)展，飛行控制技術(shù)的快速進(jìn)步則起到了至關(guān)重要的作用。飛行控制計(jì)算機(jī)作為飛艇飛行的控制中心，負(fù)責(zé)艇上大多數(shù)關(guān)鍵設(shè)備的控制，包括鼓風(fēng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣閥、壓艙閥、撕裂幅等設(shè)備的開(kāi)關(guān)。
MP2028是加拿大某公司設(shè)計(jì)的一款飛行控制計(jì)算機(jī)，其輸出信號(hào)只有脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）信號(hào)。而飛艇上的大多數(shù)設(shè)備的控制需要的是一個(gè)I/O信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一款電路將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為I/O信號(hào)，根據(jù)PWM信號(hào)的脈寬來(lái)決定輸出信號(hào)電平的高低，從而實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉。本文詳細(xì)介紹此電路的原理、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1電路原理［13］
在該電路中，控制電路為低電壓、小電流，被控電路為高電壓、大電流，因此需要通過(guò)繼電器來(lái)控制被控電路的開(kāi)斷。
該電路主要通過(guò)兩款芯片74HC123和74HC74來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)到I/O信號(hào)的轉(zhuǎn)換，原理圖如圖1所示。
1.1原理圖介紹
該電路可以分為四個(gè)模塊，分別是：電源模塊、信號(hào)輸入模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和輸出模塊。電源模塊由L7805電源芯片將5~24 V電壓轉(zhuǎn)化為5 V電壓；信號(hào)輸入模塊有兩路，由兩個(gè)三針接線端子J2、J3組成，電容C6、C7和下拉電阻R5、R6主要是為了濾除高頻干擾。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)的核心，由可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123和上升沿觸發(fā)的Dtype觸發(fā)器74HC74兩個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的轉(zhuǎn)換，每塊芯片內(nèi)部集成兩組完全相同的功能，C4、R1和C5、R2分別實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的時(shí)間常數(shù)的調(diào)節(jié)。輸出模塊由三極管T1、T2分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電磁繼電器K1、K2實(shí)現(xiàn)，二極管D3、D4用來(lái)吸收電磁繼電器斷電瞬間線圈的感應(yīng)電流。
1.2時(shí)序分析
74HC123為可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其功能表如表1所示。
在本電路中，74HC123的引腳連接如下：nRD接高電平，nA接低電平，nB接輸入信號(hào)。74HC74的引腳連接如下：SD和RD接高電平，CP接74HC123的nQ圖2電路時(shí)序圖引腳的輸出信號(hào)，D接輸入信號(hào)。由此分析電路的時(shí)序圖如圖2所示。
從圖中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)nB的脈寬小于tW時(shí)，輸出信號(hào)Q變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)輸入信號(hào)nB的脈寬大于tW時(shí)，輸出信號(hào)Q變?yōu)楦唠娖健Ｒ虼耍梢园演敵鲂盘?hào)Q作為一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，其開(kāi)關(guān)由輸入nB信號(hào)的脈寬和tW共同決定。
1.3參數(shù)計(jì)算
tW由74HC123芯片的外接電阻REXT和外接電容CEXT決定，公式如下：
tW=0.55×REXT×CEXT
MP2028的輸出脈寬信號(hào)可以在1 ms~2 ms間任意可調(diào)，所以可以選擇合適的REXT和CEXT的值，使tW在1.5 ms左右。根據(jù)公式計(jì)算選取C4和C5為0.01 μF，R1和R2為333 kΩ。在電路中可以把REXT設(shè)計(jì)為可調(diào)電阻，這樣就有很大的靈活性了。
2電路仿真
使用Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真原理如圖3所示。分別設(shè)置輸入信號(hào)的脈寬為1.2 ms和1.8 ms的輸出信號(hào),仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示。其中方波為輸入信號(hào)，另一條線為輸出信號(hào)。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期完全相符。
3電路實(shí)驗(yàn)
按照電路原理圖設(shè)計(jì)了PCB，并制作了實(shí)際電路板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，輸出信號(hào)由示波器采集。輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的波形分別如圖6~圖9所示。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此電路的設(shè)計(jì)完全符合預(yù)期，實(shí)現(xiàn)了由PWM信號(hào)到I/O信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
4結(jié)論
本文詳細(xì)介紹了PWM信號(hào)轉(zhuǎn)I/O信號(hào)電路的原理、仿真和實(shí)驗(yàn)情況。通過(guò)可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123和上升沿觸發(fā)的Dtype觸發(fā)器74HC74配合使
用，實(shí)現(xiàn)了脈寬閾值可調(diào)的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)I/O信號(hào)電路。此電路為純硬件電路，具有簡(jiǎn)單、可靠且參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。
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