年俊杰，蘇智劍，吳嘉宜，李向飛

　　（鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001）

       摘要：Cypress半導體公司生產的片上可編程系統芯片（PSoC）可視為8位微控制器，它包含可實現多重配置的模擬器件、數字器件和模數混合器件。研究了基于PSoC的差動式電感傳感器的微控制器設計方案，實現微控制器與差動式電感傳感器的連接、傳感器輸出信號的整流以及輸出結果的AD轉換等。與需要多個芯片以及外部硬件電路協調工作的傳統設計方案相比，該設計方案簡化了交流信號的生產與測量工作，在保持高系統性能的同時，縮減了板極空間，降低了系統功耗和成本。

　　關鍵詞：差動式電感傳感器；片上可編程系統（PSoC）；驅動器；微控制器

　　中圖分類號：TP202+.2文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2017.06.002

　　引用格式：年俊杰，蘇智劍，吳嘉宜，等. 基于PSoC的同頻反相正弦波發生器的研究［J］.微型機與應用，2017,36（6）：3-6.

0引言

　　在實際應用中，很多硬件驅動器上都需要同頻、相位相差180°的雙路正弦信號。Cypress半導體公司生產的片上可編程系統芯片（PSoC）可視為8位微控制器，它幾乎不需要外部電路，一片PSoC芯片就可以實現一個電子系統，具有豐富的內部資源，比如可實現多重配置的模擬器件、數字器件和模數混合器件［1］，如圖1所示。

1發生器原理

　　基于PSoC產生兩路同頻反相的正弦信號的過程是：先生成方波，然后利用用戶可配置的開關電容器模塊實現帶通濾波或低通濾波，進而獲得正弦信號［2］。本文將介紹兩種方波發生方式，兩種方波生成正弦波的方式如圖2所示。

2方波信號

　　PSoC芯片中包含有數字模塊計數器、定時器和脈沖調制用戶模塊。這三種模塊通過不同的設置，可以實現不同的功能。文中就是利用這三種模塊來實現兩種產生方波的方式。

　　2.1定時器（Timer8）和脈沖調制（PWM8）模塊產生方波

　　定時器用戶模塊提供了可編程的減值計數器、時鐘和啟用信號，可以在任何系統時基或外部來源之間進行選擇。一旦啟動，定時器就能夠連續運行并能在達到最終計數時，從周期寄存器內重新加載定時器的內部數值。

　　PWM用戶模塊提供了可編程周期和脈沖寬度的脈沖寬度調制器，時鐘和啟用信號可以從若干來源中選擇，每個脈沖循環的周期值自動重新加載。

　　方波頻率的計算公式為：

　　方波占空比計算公式為：

　　q=(PulseWidth+1)/(Period+1)(2)

　　2.2計數器（Counter16）模塊產生方波

　　計數器用戶模塊提供周期和脈沖寬度可編程的減值計數器。時鐘和啟用信號可以在任何系統時基或外部來源之間進行選擇，終端計數周期自動重新載入。

　　方波的頻率計算公式為：

　　方波占空比計算公式為：

　　q=(CompareValue+1)/(Period+1)(4)

3正弦波發生器

　　3.1低通濾波器（LPF2）產生正弦波

　　LPF2用戶模塊是一種通用型的二階狀態變量濾波器，也稱雙二次低通濾波器。它可以通過設置參數實現任何一種經典的全極點濾波器。轉折頻率和阻尼比均為時鐘頻率以及電容器數值比率的函數［3］。轉折頻率可以通過控制采樣頻率時鐘來精確地設置或調整。這種產生正弦波的方式其PSoC數字模塊內部連接如圖3所示。

　　低通濾波器的原理圖如圖4所示。

　　該濾波器的傳遞函數表達式為：

　　由此可以得到增益G、轉換頻率wn、wo和阻尼率d的設計公式：

　　對于第一階近似來說，設計公式可以簡化為更清晰的電容比率關系：

　　此設計流程目標是為了得到盡可能高的時鐘頻率fclk，以達到最佳的保真度和最低的混疊現象。將CA和CB設置為32，將C2設置為最小的整數值1，C4的初始值設置為最大值31，根據C3≥d2C2CACBC4, 算出最小數值C3，根據下式

　　C4=dCACBC2/C3（12）

　　修改C4并取最接近的整數。根據公式(11)來計算fclk，由

　　求VC1，并取最接近的整數。

　　根據公式（7）和公式（8）來調節數值C2、C3和C4以達成要求的數值d和ω0，通常，通過減少C4來滿足d的要求。重新計算系統時鐘頻率以采用更新的電容器數值來滿足ω0的要求。

　　3.2帶通濾波器（BPF2）產生正弦波

　　BPF2用戶模塊是一種通用型的二階狀態變量帶通濾波器，也稱雙二次帶通濾波器，中心頻率和Q值（中心頻率與帶寬的比率）均為時鐘頻率以及所選定的電容數值比率函數。中心頻率可以通過控制采樣頻率時鐘來精確地設置或調整。

　　這種產生正弦波的方式其PSoC數字模塊內部連接如圖5所示。

　　帶通濾波器原理圖如圖6。

　　帶通濾波器的傳遞函數表達式如下。

　　主要參數表達式：

　　針對中心頻率和中帶寬增益的濾波器要求，如果已知高-3 dB和低-3 dB點的fu和fl，可以計算中心頻率:

　　fC=fufl(18)

　　將CA和CB設置為32，設置C2、C3的初始值等于極點對的Q值。根據以上公式計算：

　　C4取最接近的整數，如果C4為負數或虛數，則需要調整C3的數值，重新排列公式(17)可計算出C4，必要時需要迭代。

　　重新排列公式(15)，可計算采樣頻率：

　　OSR=fsfC（20）

　　OSR應盡量大，以達到最佳的保真度和最低的混疊現象，如果OSR小于5.0，則調節C2并重新計算。

　　根據下式：

　　求VC1，取最接近的整數，再重新計算采樣頻率和中心頻率，最后計算Q和增益G值。

　　3.3頻率及幅值設置

　　在帶通濾波器設計中，各個參數均可以求出。根據所需頻率，調整方波發生器各模塊的參數即可。由于每個參數只能取整，重新計算輸出頻率后，再調整帶通濾波器的參數，可以達到最佳效果。

　　方波經過濾波器后會有一定的衰減，可以根據式（16）所示的增益G的計算公式調整參數來實現幅值調節，最直接的方式是調整C1，并不影響濾波器的性質，但C1只能取整，而調整增益G公式的其他參數，則需要重新設計帶通濾波器，十分麻煩，因此增加了可編譯增益放大器PGA，通過調整C1和PGA的參數即可得到想要的增益。

4結果及分析

　　由于方波產生、方波轉為正弦波各有兩種設計方式，故有四種方式產生正弦信號，這里稱2.1節中產生的方波經低通濾波后的正弦波發生的設計為方案一，稱用2.2節產生的方波經低通濾波后的正弦波發生的設計為方案二，稱2.1節的方波經帶通濾波后的正弦波發生的設計為方案三，稱2.2節的方波經帶通濾波后的正弦波發生的設計為方案四，利用臺達發生器產生雙路反向方波為方案五。為了便于分析，通過調整全局變量、各模塊參數使2.1節和2.2節中產生的兩路方波頻率為8 kHz、峰峰值為5 V,根據方波信號，配置好低通濾波器及帶通濾波器的參數，產生頻率為8 kHz、峰峰值為2.8 V的雙路正弦信號。

　　由四個方案的波形并不能觀測出方波發生方式的不同對正弦信號有何影響，但可知低通濾波和帶通濾波由于芯片內電容不同，衰減程度不同，現在主要分析這四種方案波形的穩定性及同頻性。

　　本文采集每種方案的2 500個點進行數據擬合分析，可得表1，將每種方案的兩路正弦信號相加，進行數據采集,每組數據同樣采集2 500個點，如表2所示。為了驗證發生器可以應用在實際工作中，在同樣的條件下文中采集了臺達DG1022發生器產生的雙路正弦信號的2 500個點進行數據對比分析。由表1、表2數據分析可得，四種方案波形的R Value值都很接近1，說明正弦波的波形很好，根據平均殘差平方的大小，方案一、方案二與臺達發生器信號的殘差平方大小一致，最為接近正弦波，也可以得出經過低通濾波器得到的波形更接近正弦波的結論。產生信號的波動均在4.5%左右，說明設計的四種同頻反相正弦發生器的穩定性及同頻性均很好。5結論

　　所設計的同頻反相正弦波發生器完全使用PSoC內部資源，大幅度降低了系統體積和成本，開發時間短，修改性和重構性好，并且根據測量數據結果分析，文中所研究的四種發生器同頻性及穩定性均很好，可以用于實際工作中，并且在設計確定頻率之后，通過修改參數，可以得到任何想要的幅值。

　　參考文獻

　　［1］ 葉朝暉，華成英.可編程偏上系統（PSoC）原理及實訓［M］.北京：清華大學出版社，2008.

　?。?］ PETERSON S.PSoC micro controller and LVDT measure position［J］.END China,2006（10）:105108.

　　［3］ 郭帥,何永義.可編程片上系統［J］.機電一體化, 2002，8（6）：4851.