可編程斜坡發(fā)生器（PRG）（在Microchip最近推出的幾款8位PIC^?單片機(jī)上提供）是一種高度靈活的模擬外設(shè)，旨在簡(jiǎn)化需要電壓線性變化的應(yīng)用。顧名思義，PRG能夠在軟件控制下輸出上升、下降或交替的上升/下降斜坡。不過(guò)，經(jīng)過(guò)配置后，外設(shè)能夠獨(dú)立于內(nèi)核運(yùn)行，從而釋放中央處理單元（CPU）來(lái)執(zhí)行其他任務(wù)、進(jìn)入低功耗模式或以其他方式在系統(tǒng)中承擔(dān)更多監(jiān)督角色。通過(guò)控制集成恒流源可以動(dòng)態(tài)調(diào)整上升和下降時(shí)間。憑借靈活的輸入和輸出選項(xiàng)，設(shè)計(jì)人員可以自由地與片外信號(hào)源或單片機(jī)上其他外設(shè)的信號(hào)互連。這通常會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)更快，同時(shí)可通過(guò)減少外部元件數(shù)量來(lái)最大程度減少潛在的噪聲源及縮小應(yīng)用尺寸。圖1給出了外設(shè)的框圖。

圖1：PRG模塊簡(jiǎn)化框圖

用于配置PRG的有用工具是MPLAB?代碼配置器（MCC），這是一個(gè)用戶友好的MPLABX集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）插件，見(jiàn)圖3。它生成用于控制和驅(qū)動(dòng)MicrochipPIC單片機(jī)外設(shè)（如PRG）的驅(qū)動(dòng)程序。PRG可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，每個(gè)功能都可以使用MCC進(jìn)行設(shè)置。

圖2：MCC——PRG模塊硬件設(shè)置
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三角波發(fā)生器

三角波發(fā)生器（TWG）產(chǎn)生周期性的非正弦波形，其三角形形狀具有相等的上升和下降時(shí)間。要產(chǎn)生三角波，PRG必須配置為交替上升和下降模式。MCC允許配置上升（RS）和下降（FS）時(shí)序輸入源。PRG使用這兩個(gè)觸發(fā)斜坡上升和下降的參考電壓來(lái)確定輸出振蕩頻率。這兩個(gè)參考電壓還可確定三角波信號(hào)的最小和最大電壓值。

8-bitPIC?MCU8位PIC?MCU

圖3：三角波發(fā)生器的外設(shè)集成

當(dāng)PRG輸出低于數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）設(shè)置的電壓大小時(shí)，PRG的RS輸入被觸發(fā)，內(nèi)部電容充電。當(dāng)PRG輸出超過(guò)固定參考電壓（FVR）時(shí)，F(xiàn)S輸入被觸發(fā)，內(nèi)部電容放電。

由于PRG沒(méi)有指定的輸出引腳，因此PRG的輸出通過(guò)單位增益運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖。可以計(jì)算輸出頻率，但其精度可能受到不同因素影響，例如電容的寄生電阻、噪聲、生產(chǎn)差異和溫度。

頻率值隨著DAC輸出電平或PRG斜率（SR）的改變而變化。輸出斜坡的SR通過(guò)PRG的當(dāng)前設(shè)置進(jìn)行配置。

圖4給出了實(shí)現(xiàn)的理想行為。通常，產(chǎn)生的三角波由對(duì)稱的周期性交替上升和下降斜坡組成。

圖4：三角波發(fā)生器時(shí)序圖

最大電壓和最小電壓分別由VFVR和VDAC定義。當(dāng)信號(hào)達(dá)到最大電壓或最小電壓時(shí)，將設(shè)置上升觸發(fā)和下降觸發(fā)。在MCC中更改斜率設(shè)置可用于調(diào)整頻率。VDAC的變化也會(huì)導(dǎo)致頻率變化，但最小電壓會(huì)相應(yīng)地增加或減少。

PRG的振蕩頻率取決于所選的灌電流和拉電流、內(nèi)部電容以及設(shè)置的上升觸發(fā)和下降觸發(fā)。通過(guò)在PRG的輸出上放置額外的電容，可以實(shí)現(xiàn)更低的頻率范圍。

圖5：為實(shí)現(xiàn)低頻輸出添加CLC和電容

通過(guò)添加可配置邏輯單元（CLC）和外部電容C1，DAC和FVR設(shè)置的電壓跳變點(diǎn)可分別觸發(fā)上升事件和下降事件。在運(yùn)算放大器的輸出端添加C1，使其與PRG的內(nèi)部電容有效并聯(lián)。額外的電容延遲了觸發(fā)事件之間的時(shí)間，從而產(chǎn)生較低的FOUT頻率。

在比較器的輸出端連接CLC，使波形發(fā)生器產(chǎn)生方波和脈沖。CLC配置為SR鎖存器，低頻FOUT來(lái)自其輸出。與PRG類(lèi)似，參考電壓觸發(fā)置位和復(fù)位輸入。FOUT在C1的電壓（OPAOUT）低于DAC電壓大小時(shí)置位。一旦OPAOUT高于FVR，就會(huì)清除FOUT。
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壓控振蕩器

壓控振蕩器（VCO）是一種輸入控制電壓決定其振蕩頻率的電子振蕩器。VCO的瞬時(shí)頻率通常設(shè)計(jì)成與瞬時(shí)電壓成線性比例；輸入電壓越高，其振蕩頻率也越高。VCO實(shí)現(xiàn)的PRG操作與TWG類(lèi)似，不同之處在于輸出頻率來(lái)自CLC的斜率鎖存器，可變電壓VCNTRL設(shè)置PRG的RS輸入。

圖6：壓控振蕩器的配置

如果VCNTRL的輸入升高，則會(huì)縮短重新觸發(fā)上升事件所需的時(shí)間。因此，拉電流和灌電流之間的切換變得更快并且振蕩頻率增加。

圖7給出了控制電壓與輸出頻率之間的關(guān)系，其中有三個(gè)PRG斜率值。可以針對(duì)期望的頻率范圍改變SR值。較低的SR值可以產(chǎn)生從幾Hz至大約500kHz的頻率。但較大的SR值可以達(dá)到兆赫茲范圍。

圖7：VCO輸出頻率與控制電壓的關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)VCO電路直接修改振蕩器頻率。對(duì)于壓控占空比振蕩器（VCDCO），其控制電壓會(huì)修改輸出脈沖的占空比。

除了時(shí)基觸發(fā)輸出脈沖發(fā)生之外，對(duì)VCDCO也實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似的VCO設(shè)置。PWM和TMR模塊確定振蕩器的周期和頻率，而PRG通過(guò)VCNTRL確定其占空比。

圖8：使用基于時(shí)間的觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓控制的占空比

PWM的上升沿觸發(fā)PRGRS輸入并使CLC輸出置1。當(dāng)PRG輸出超過(guò)VCNTRL時(shí)，F(xiàn)S輸入被觸發(fā)，PRG電容短路并且CLC復(fù)位。PRG和CLC輸出將保持低電平，直至下一個(gè)TMR溢出和PWM正邊沿。

增加VCNTRL會(huì)延長(zhǎng)斜坡的上升時(shí)間和輸出的正脈沖寬度。

占空比計(jì)算為VCNTRL與VMAX的比值。為了提高占空比的范圍，當(dāng)控制電壓達(dá)到給定斜率的VMAX時(shí)，定時(shí)器周期應(yīng)等于斜坡的上升時(shí)間。

當(dāng)使用兩個(gè)不同的VCNTRL值時(shí)，由于定時(shí)器和PWM的周期恒定，因此RS觸發(fā)序列在兩種條件下統(tǒng)一。但是，由于斜率恒定且VCNTRL較高，在FS觸發(fā)之前可能會(huì)有一個(gè)額外的延時(shí)。

PRG斜率和TMR2周期值取決于VCDCO所需的頻率和占空比范圍。PWM的占空比可以設(shè)置得足夠低，以觸發(fā)PRG的RS輸入。FOUT仍然來(lái)自CLCSR鎖存器。PWM和CMP輸出還為CLC提供置位和復(fù)位輸入。
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異步單觸發(fā)

異步單觸發(fā)（AOS）在外部觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生單輸出脈沖。AOS通常稱為單穩(wěn)態(tài)多振子，具有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。如果其穩(wěn)定狀態(tài)為低電平狀態(tài)，則外部觸發(fā)信號(hào)會(huì)將輸出驅(qū)動(dòng)為高電平并持續(xù)一段時(shí)間。在一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，AOS返回其穩(wěn)定狀態(tài)并等待下一個(gè)觸發(fā)事件。

圖9：使用外部觸發(fā)實(shí)現(xiàn)單觸發(fā)

CLC的復(fù)位狀態(tài)是AOS的穩(wěn)定狀態(tài)。外部觸發(fā)會(huì)將PRG的RS輸入置位，并獨(dú)立于CLC將AOS的輸出置位。當(dāng)PRG達(dá)到FVR時(shí)，F(xiàn)S輸入源被觸發(fā)，PRG中的內(nèi)部電容短路，CLC輸出復(fù)位。脈沖寬度的持續(xù)時(shí)間取決于FVR電壓和PRG斜率。

外部電壓觸發(fā)可以取代PWM和TMR模塊來(lái)消除PRGRS輸入和和CLC置位源的周期性觸發(fā)序列。輸出脈沖來(lái)自CLC輸出。
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壓控單觸發(fā)

接下來(lái)的這個(gè)例子是前一次單觸發(fā)的升級(jí)。一個(gè)輸入用作觸發(fā)信號(hào)，而另一個(gè)輸入確定單觸發(fā)周期。單觸發(fā)的一個(gè)應(yīng)用控制臨界導(dǎo)通模式（CrCM）PFC控制器的導(dǎo)通時(shí)間。

圖10：壓控單觸發(fā)的配置

輸入電壓VCNTRL確定輸出的單觸發(fā)周期或?qū)〞r(shí)間。VCNTRL的值越大，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)PRG的上升斜坡信號(hào)達(dá)到VCNTRL時(shí)，PRG電容短路，互補(bǔ)輸出發(fā)生器（COG）占空比完成。輸出保持低電平，直至信號(hào)重新觸發(fā)PRG上升斜坡及COG周期開(kāi)始。

在臨界導(dǎo)通控制器中，COG控制功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的開(kāi)關(guān)。來(lái)自誤差放大器的反饋信號(hào)被饋送到VCNTRL。恒定的反饋信號(hào)將導(dǎo)致固定的導(dǎo)通時(shí)間。在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)期間，電感電流斜升至輸入?yún)⒖茧妷簩?duì)應(yīng)的值并分別回落到零。圖11給出了CrCM控制器的電感電流的典型特性。

圖11：固定導(dǎo)通時(shí)間CrCM控制器的電感電流波形

要使用MCC配置外設(shè)，請(qǐng)使用第二個(gè)CMP替換PWM和TMR模塊。在正負(fù)輸入源列表中，分別選擇CINx+引腳和FVR。選擇COG模塊來(lái)代替CLC并將比較器設(shè)置為上升和下降事件源。對(duì)于功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，COG外設(shè)更適合作為輸出驅(qū)動(dòng)器。
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結(jié)論

憑借PRG的豐富功能，可方便地產(chǎn)生電壓斜坡作為參考信號(hào)或時(shí)序源?？梢允褂糜脩粲押玫腗CC輕松配置這些功能。與MicrochipPIC單片機(jī)中的其他幾個(gè)外設(shè)配合使用時(shí)，可以探索更多基于PRG的應(yīng)用。

作者：MicrochipTechnologyInc.應(yīng)用工程師 MaryIvaRosarioSalimbao