基于PIC16F877A的超低频脉冲调制高频信号的实现

研究与开发

中国科技核心期刊

基于PIC16F877A 的超低频脉冲调制高频信号的实现

李　涛　张华锋

(中国人民92957　舟山　316000)

摘　要:实现了一种用低频率或超低频率的窄脉冲对正弦波高频信号进行调制的方法。该方法在PICC 语言平台上设计程序,控制PIC16F877A 单片机的PWM 功能产生超低频脉冲调制的高频脉冲信号;设计串联谐振电路高频滤波器对高频脉冲进行滤波,把高频脉冲变成纯度较高的高频正弦波;设计衰减器和功率放大器,控制信号幅度。经过测试表明:该方法设计实现的超低频脉冲调制高频信号具有高准确度、高稳定度的优点,满足使用要求。关键词:PIC16F877A ;脉冲调制;超低频;高频中图分类号:TN761.2　　文献标识码:A

R ealization of ultralow frequency pulse modulated high frequency

signal based on PIC16F877A

Li Tao 　Zhang Huafeng

(PLA Units :92957,Zhoushan 316000,China )

Abstract :A kind of low or ultralow frequency narrow pulse modulated high frequency sine wave signal method is realized in this paper.This method programmes on PICC platform ,and controls PWM mode of PIC16F877A MCU to produce high frequency signal modulated by ultralow frequency pulse ,and designs high frequency filter with series 2wound syntonic electrocircuit to filter out impurity from high frequency pulse and change high frequency pulse to pure high frequency sine wave ,and designs attenuator and power amplifier to modulate amplitude.Experimental results show that ultralow frequency pulse modulated high frequency signal produced by this method is high 2exact and steady 2state and satisfies use requirements.K eyw ords :PIC16F877A ;PWM ;ultralow frequency ;high frequency

　作者简介:李涛,博士,高级工程师,从事军事计量管理和计量测试工作。

0　引　言

在工程实践过程中,尤其是军事领域和特殊行业,需要用低频率或超低频率的窄脉冲对正弦波高频信号进行调制,如声纳测距、超声探伤等。这类窄脉冲信号具有脉冲周期长(一般为0.1～10s )、脉冲宽度窄(一般为1～10ms )的特点,被调制的正弦波高频信号的频率范围一般为20～1000k Hz 。但是,目前市场上的通用信号发生器一般不具备这种功能,无法实现测试过程。

本文利用PIC16F877A 的脉宽调制(pulse width modulation ,PWM )模式功能[1],在PICC 语言开发平台上实现了超低频脉冲调制高频信号,该方法具有信号频率准确、稳定,剩余调制接近零等特点。

1　方案设计原理

PIC16F877A 单片机内部集成2个CCP (捕捉/比较/脉

宽调制PWM )模块,当它工作在PWM 方式下时,具有2个

脉冲宽度调制输出通道。它们可以产生宽度和周期均可由编程决定的PWM 波形;1]。软件控制CPU 的PWM 产生需要的各种脉冲信号,实现超低频脉冲调制功能。具有PWM 功能的I/O 接口按周期输出固定频率的高频方波脉冲信号,输出高频方波脉冲的持续时间等于低调制频脉冲的脉冲宽度所维持时间,即形成了超低频脉冲调制高频脉冲信号。超低频脉冲调制高频脉冲波形如图1所示,该图示意了用周期为1000ms 、脉宽为1ms 、占空比为1/1000的脉冲对20～1000k Hz 高频脉冲进行调制的情况。采用软件方式实现调制功能,可不使用调制硬件结构,能使调制的技术指标的理想化,大大地提高了技术性能。

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图1　超低频脉冲调制高频脉冲波形图

　　方案设计原理框图如图2所示,该设计方案包含4部

分:晶体振荡器、CPU 信号发生器、滤波器和衰减器、功率放大器。工作过程是:CPU 控制产生超低频脉冲调制的高频脉冲信号,脉冲信号的频率、周期、脉宽以晶体振荡器频率为基准,高频脉冲信号经由源滤波器滤出纯度较高的正弦波高频信号,衰减器控制整个调制信号幅度,最后经

由功率放大器进行功率放大。

图2　方案设计原理图

2　硬件设计

2.1　CPU 信号发生器

CPU 选用Microchip 公司生产的PIC16F77A 单片

机,该单片机具有较丰富功能的I/O 口,可简化硬件电路;外部主钟频率20M Hz ,运算速度快[223]。CPU 工作电路设计图如图3所示,采用外部开机复位方式,pin1接复位电路,当接通电源后,由电容C301对CPU 的复位端输入低电平,进行复位,CPU 采用内振荡器产生20M Hz 主频脉冲(为了使信号发生器输出频率更准确,也可以使用外晶体频率源),在RC1

接口上输出调制信号。

图3　CPU 工作电路设计图

2.2　滤波器[426]、衰减器和功率放大器

为了把高频脉冲变成纯度较高的高频正弦波,采用滤

波器对高频脉冲进行滤波。根据载波脉冲频率的不同可以采用不同的滤波方案。当载波频率不大于100KHz 时,可采用由运算放大器和RC 网络构成的有源滤波器;当载波频率高达几百千赫兹时,由于运算放大器构成的滤波器受到带宽和Q 值的,往往不能得到较好的滤波效果,这时可采用高频滤波器、L C 谐振滤波器等方法来完

成滤波任务。为了使输出信号的幅度受控,在滤波器后设

计衰减器,满足不同输出幅度的要求。

滤波器采用L241、C242串联谐振电路,对高频脉冲进行滤波,保证高次谐波不大于-50dB 。设计R244、R245、R246构成衰减器,控制信号幅度。采用OPA603高速电流负反馈运算放大器,进行功率放大。滤波器、衰减器和功率放大器电路原理如图4所示。

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图4　滤波器、衰减器和功率放大器电路原理图

3　软件设计

3.1　PWM 工作模式[728]

当CCP1工作在PWM 方式下时,RC2/CCP1引脚上可以输出分辨率高达10b 的PWM 波形,由于CCP1引脚是与RC 端口引脚复用的,因此必须事先将TRISC 寄存器中的bit2清零,以设置CCP1引脚为输出状态。

PWM 的输出有一个时基(周期)和一个保持为高电平的时间(脉宽),PWM 的频率就是周期的倒数。PWM 的周期可通过向TMR2的周期寄存器PR2写入来设定,通过控制PR2寄存器的值,就可以控制输出的PWM 波形的频率。PWM 的周期可由式(1)来计算:

PWM 周期=(PR 2+1)×4T O SC ×TMR 2前分频值(1)通过写入CCPR1L 寄存器和CCP1CON 控制器的bit5～bit4,可以得到PWM 的高电平时间设定值,在PR2一定的情况下,通过控制CCPR1L 寄存器和CCP1CON 控制器的bit5～bit4的值,就可以控制输出PWM 波形的占空比,PWM 的高电平时间可由式(2)来计算:

PW M 高电平时间=CC PR 1L :CC P 1CO N (bit 5～

bit 4)×T OS C ×TM R 2前分频值

(2)通过将CCP1CON 寄存器的CCP1M3～CCP1M0位设置成1100,就可以使CCP1模块工作于PWM 方式。3.2　程序设计

用周期为1000ms 、脉宽1ms 、占空比为1/1000的脉冲对500k Hz 的方波载频进行调制,同时在RA1端口输出标准时标。采用软件方式实现调制功能,可不使用调制硬件结构,能使调制的技术指标理想化,大大地提高技术性能。

程序的设计思想是使用了顺序循环结构来处理调制脉冲信号的产生,使用定时器定时中断的方法来实现间断

性调制信号(标准时标)的功能,使用CCP 模块的PWM 脉宽调制功能来产生500k Hz 的脉冲信号。通过这些功能产生的信号具有稳定性好、准确性高的特点。主程序流程如图5

所示。

图5　主程序流程图

根据式(1)、

(2),由:PW M 周期=

1

500k Hz

=2μs

(3)

PW M 高电平时间=PW M 周期

2

=1μs

(4)T OS C =

1

20M Hz

=50ns

(5)

TM R 2前分频值=2(6)

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PR2=4(7) CC PR1L:CC P1CON(bit5～bit4)=10(8)主程序代码如下[9]:

void main()

{

IN TCON=0XA0;//允许全局、TMR0中断

TMR0=0X3A;//写入TMR0初值,0.1s中断

TRISA1=0;//设置RA1为输出

PR2=0X04;//设置工作周期

CCPR1L=0X02;//设置脉宽

TRISC2=0;//设置RC2输出

T2CON=0X04;//打开TMR2,1:2分频

CCP1CON=0X2C;//设置CCP1为脉宽调制

ei();//中断开始

while(1)

{

for(i=0;i<1000;i++){}

CCP1CON=0X20;//停止脉宽调制

for(i=0;i<1000000;i++){}

CCP1CON=0X2C;//开始脉宽调制

}

}

中断程序实现间断性调制信号(标准时标)的功能,代码如下[10]:

void interrupt TMR0_CCP(void)

{

TMR0=0X3A;//TMR0写入初值,0.1s中断

T0IF=0;//清除TMR0中断标志

count++;//计数器加1

if(count==10)

RA1=0;

if(count==10000)

{

RA1=1;

count=0;

}

}

4　实　　验

使用稳定性良好的仪器对采用该方法研制实现的信号发生器进行测量,确定其波形品质。使用Tektronix DOP7104示波器对信号输出进行测试,调制波形良好,无残余调制;使用R&S FSMR43测量接收机对输出信号的载波信号进行测量,波形纯度很高;使用Agilent 53132A通用频率计对输出信号进行10次等精度测试,其测试结果如表1所示。该信号发生器主要技术指标如表2所示。

表1　对输出信号进行10次等精度测量数据

n调制脉冲周期/ns调制脉冲宽度/ns载波信号频率/Hz 110000000101000005500001 210000000111000005499999 310000000111000005500000 410000000101000004500000 510000000091000004500001 610000000121000007500001 710000000081000003500000 810000000071000003499999 910000000141000008499999 1010000000151000008500000

表2　主要技术指标

输出幅度峰值0～10V

最大负载电流60mA

调制脉冲周期1000ms

调制脉冲宽度1ms

载波信号频率500k Hz

载波的高次谐波<-50dB

频率稳定度5×10-7/s

5　结束语

本文介绍的超低频脉冲调制高频信号的实现方法充分结合硬件、软件的优势,应用了数字技术,对脉冲时序进行控制,使脉冲的周期、宽度参数准确、可靠;应用PIC16F877A单片机的PWM功能,设计了超低频脉冲对高频信号的调制,提高了调制控制能力,用简单的方法,实现了高品质的调制特性。经过实际使用表明:该方法实现的信号发生器具有输出幅度大、负载能力强、调制性能好、频率稳定、体积小、操作方便、结构简单、实现容易等特点。

参考文献

[1]　李学海.PIC单片机实用教程[M].北京:北京航空航

天大学出版社,2004.

[2]　杨波,张兴敢.基于PIC单片机的被动式红外报警系

统的设计[J].电子测量技术,2008,31(1):53255. [3]　李伟.基于PIC单片机的电能表时钟误差分析仪的研

究[J].国外电子测量技术,2007,26(11):33234.

[4]　赵永泉.微机控制测量系统中数字滤波器设计[J].计

算机测量与控制,2008,16(7):1782180.

[5]　郭继昌,贾贻鲁,滕建辅,等.一种可调低通有源滤波

器的设计[J].仪器仪表学报,2006,27(3):2952297. [6]　鲁顺昌.数字式开关电容带通滤波器设计原理[J].仪

器仪表学报,2007,28(3):5652568.

[7]　易文翠,胡银全,唐丽均.基于PIC单片机的载波控制

系统[J].计算机测量与控制,2006,14(12):16352

1637.(下转第48页)

从图9(b )中可观察到信号3dB 带宽为2.1M Hz 、18.75M Hz 、43.75M Hz 点的抑制分别为-82dB 、

-82dB ,从图9(c )中可观察到信号后端最高点192M Hz

的抑制为-78dB 。

均满足了设计要求。

图9　实际测试曲线

3　结束语

本文主要论述了如何利用ANSOF TA 公司的Desig 2

ner 微波仿真软件进行抗混叠滤波器的设计、仿真和实验,并给出了最终测试数据。设计的抗混叠滤波器技术指标满足要求,并已成功应用于一款便携式频谱分析仪中。

参考文献

[1]　L U TOVAC M D.信号处理滤波器设计[M ].朱义胜,

董辉,译.北京:电子工业出版社,2004:1092179.

[2]　L UDWIN G R ,BRETCH KO P.射频电路设计———理

论与应用[M ].王子宇,张肇仪,徐承和,等译.北京:电子工业出版社,2002:1342176.

[3]　Coilcraft corporation.Data sheet :1008CS (2520)Ce 2

ramic Chip Inductors[M ].2009.

[4]　中国电子科技集团公司第四十一研究所.现在通信测

量仪器[M ].北京:军事科学出版社,1999:61266.

[5]　孙增军,胡延平,周晨阳.软件无线电设计的A/D 采

样分析[J ].现代电子技术,2003(10):44248.

[6]　李刚,程立君,林凌.高精度数据采集中抗混叠滤波器

的设计[J ].国外电子元器件,2007(8):125.

[7]　CARV ER K R.Using ansoft designer SV to analyze a

low pass filter[EB/OL ].2005.ftp ://ftp.ansoft.com/techsup/download/web/ftproot _inet/products/AN 2SOF T/Designer_tutorial_L Pfilt.pdf.

[8]　汪汉新,张翔.中频数字化软件无线电技术的研究

[J ].中南民族大学学报:自然科学版,2005,24(3):55257,61.

(上接第36页)

[8]　刘和平.PIC16F87X 单片机实用软件与接口技术

[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2002.[9]　张华锋,李涛,林涛.基于PIC 的某型雷达微波信号发

生器的设计与实现[J ].航空电子技术,2008联合学

术研讨会:61265.

[10]李涛,张华锋.用PIC16F87X 单片机实现高分辨率频

率计的一种方法[J ].现代科学仪器,2006(6):54256.