徐文寬，連龍剛，王保成，周江華

(中國科學院光電研究院，北京 100094)

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PWM轉I/O信號的電路設計、仿真與實驗

徐文寬，連龍剛，王保成，周江華

(中國科學院光電研究院，北京 100094)

設計了PWM信號轉I/O信號的電路，并進行了仿真和實驗。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D-type觸發(fā)器74HC74配合使用，通過調(diào)節(jié)可變電阻來調(diào)節(jié)74HC123的時間參數(shù)，從而實現(xiàn)將PWM輸入信號轉換為I/O信號。通過純硬件電路實現(xiàn)了PWM信號轉I/O信號，仿真結果與電路實驗結果相符。

脈沖寬度調(diào)制信號；I/O信號；振蕩器；觸發(fā)器；仿真

0 引言

最近幾年，飛艇技術迅速發(fā)展，飛行控制技術的快速進步則起到了至關重要的作用。飛行控制計算機作為飛艇飛行的控制中心，負責艇上大多數(shù)關鍵設備的控制，包括鼓風機、發(fā)動機、排氣閥、壓艙閥、撕裂幅等設備的開關。

MP2028是加拿大某公司設計的一款飛行控制計算機，其輸出信號只有脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)信號。而飛艇上的大多數(shù)設備的控制需要的是一個I/O信號，因此需要設計一款電路將PWM信號轉換為I/O信號，根據(jù)PWM信號的脈寬來決定輸出信號電平的高低，從而實現(xiàn)被控設備的開啟和關閉。本文詳細介紹此電路的原理、仿真和實驗結果。

1 電路原理[1-3]

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，因此需要通過繼電器來控制被控電路的開斷。

該電路主要通過兩款芯片74HC123和74HC74來實現(xiàn)PWM信號到I/O信號的轉換，原理圖如圖1所示。

1.1 原理圖介紹

該電路可以分為四個模塊，分別是：電源模塊、信號輸入模塊、信號轉換模塊和輸出模塊。電源模塊由L7805電源芯片將5～24 V電壓轉化為5 V電壓；信號輸入模塊有兩路，由兩個三針接線端子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。信號轉換模塊是系統(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D-type觸發(fā)器74HC74兩個芯片實現(xiàn)兩路信號的轉換，每塊芯片內(nèi)部集成兩組完全相同的功能，C4、R1和C5、R2分別實現(xiàn)兩路信號的時間常數(shù)的調(diào)節(jié)。輸出模塊由三極管T1、T2分別驅動兩個電磁繼電器K1、K2實現(xiàn)，二極管D3、D4用來吸收電磁繼電器斷電瞬間線圈的感應電流。

1.2 時序分析

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。

表1 74HC123芯片的功能表

圖1 電路原理圖

74HC74是一款上升沿觸發(fā)的D-type觸發(fā)器，其功能表如表2所示。

表2 74HC74芯片的功能表

圖2 電路時序圖

從圖中可以看出，當輸入信號nB的脈寬小于tW時，輸出信號Q變?yōu)榈碗娖剑划斴斎胄盘杗B的脈寬大于tW時，輸出信號Q變?yōu)楦唠娖健Ｒ虼?，可以把輸出信號Q作為一個開關信號，其開關由輸入nB信號的脈寬和tW共同決定。

1.3 參數(shù)計算

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設計為可調(diào)電阻，這樣就有很大的靈活性了。

2 電路仿真

使用Multisim對電路進行仿真，仿真原理如圖3所示。分別設置輸入信號的脈寬為1.2 ms和1.8 ms的輸出信號,仿真結果分別如圖4和圖5所示。其中方波為輸入信號，另一條線為輸出信號。仿真結果與設計預期完全相符。

圖4 輸入信號脈寬為1.2 ms時的仿真結果

3 電路實驗

按照電路原理圖設計了PCB，并制作了實際電路板進行實驗。實驗時輸入信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生，輸出信號由示波器采集。輸入信號和輸出信號的波形分別如圖6～圖9所示。

圖3 電路仿真原理圖

圖5 輸入信號脈寬為1.8 ms時的仿真結果

圖6 脈寬為1.2 ms的輸入信號波形

圖7 輸入信號脈寬為1.2 ms時的輸出波形

由實驗結果可知，此電路的設計完全符合預期，實現(xiàn)了由PWM信號到I/O信號的轉換。

4 結論

本文詳細介紹了PWM信號轉I/O信號電路的原理、仿真和實驗情況。通過可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123和上升沿觸發(fā)的D-type觸發(fā)器74HC74配合使用，實現(xiàn)了脈寬閾值可調(diào)的PWM信號轉I/O信號電路。此電路為純硬件電路，具有簡單、可靠且參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點。

圖8 脈寬為1.8 ms的輸入信號波形

圖9 輸入信號脈寬為1.8 ms時的輸出波形

[1] 閆石等.數(shù)字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 吳征,蘇淑靖.基于FPGA+PWM的多路信號發(fā)生器設計[J].電子技術應用,2014,40(3):38-40,44.

[3] 郭林杰,趙建勇.基于雙PWM協(xié)調(diào)控制的永磁風力發(fā)電系統(tǒng)研究[J].微型機與應用,2013,32(8):68-71.

Design, simulation and experiment of a circuit for converting PWM signal to I/O signal

Xu Wenkuan，Lian Longgang，Wang Baocheng，Zhou Jianghua

(Academy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Science, Beijing 100094, China)

We propose a solution to convert PWM signal to I/O signal, including the circuit design, simulation and experiment. PWM signal was converted to I/O signal by using retriggerable monostable multivibrator 74HC123 and positive-edge triggerable D-type flip-flop 74HC74, and the time parameter can be changed by adjusting the variable resistor. It was realized by using only hardware circuit. The experiment was consistent with the simulation.

pulse width modulation signal, input/output signal, vibrator, flip-flop, simulation

TP302.1

A

1674-7720(2016)07- 0022- 03

徐文寬，連龍剛，王保成，等. PWM轉I/O信號的電路設計、仿真與實驗[J].微型機與應用，2016,35(7)：22-24.

2015-12-07)

徐文寬(1982-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：航空電子技術。E-mail:xuwk@aoe.ac.cn。

連龍剛(1982-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：通信技術。

王保成(1974-)，男,博士，副研究員，主要研究方向：航空電子技術。