芯耀
75
三天前一個同學在微信公眾號提了關于在?模擬課程中的問題[1]?，即要求設計一個系統(tǒng)，輸入一個正弦波，可以輸出一個二倍頻的三角波。三角波的幅值、占空比（上升沿、下降沿的時間）可以被改變。
在前天給出了一個?信號轉(zhuǎn)換的解題思路[2]?，并在昨天?對前面的思路進行了物理仿真?驗證，結(jié)果可以看到這個簡單的思路還存在著不少的問題。
?
▲ 正弦波轉(zhuǎn)換成倍頻三角波，并且占空比、幅值可以調(diào)節(jié)
?
這些問題歸納起來主要有以下幾條：
- 控制量之間的耦合，特別是頻率，占空比對輸出信號幅值的影響；頻率對于占空比的影響雖然經(jīng)過改進之后有所解耦，還是會有部分的影響；輸出三角波存在失真。這主要是最后一級從方波到三角波轉(zhuǎn)換的過程中，對于信號的直流分量的變化與波形失真之間的關系；最后一點，也是最重要的一點，就是電路非常復雜。
- ?
?
▲ 三角波的占空比獨立可調(diào)整
?
估計這兩天看過推文的同學開始嘀咕，這個問題，如果使用數(shù)字電路，特別是使用一個單片機就可以輕輕松松的搞定。的確這也反映出使用數(shù)字電路和模擬電路在對待同樣的問題上的迥然差別。
在模擬電子中，信號都是看做是在時間和幅值的連續(xù)變化的模擬量，對于信號處理的手段大多是進行倍乘、積分、微分、比較整形等方法。另外，系統(tǒng)必須滿足因果關系。在此過程中，信號的幅值、頻譜寬度等會受到電子線路中器件的限制。
▲ 三角波的幅度獨立可以調(diào)整
?
當然，還有非常重要的一個方面就是方案會受到器件的非線性、溫度漂移、以及無處不在的干擾的影響。這就使得方案在精度、穩(wěn)定性參數(shù)變化范圍等方面受到影響。
那么改成數(shù)字電路，特別是使用 MCU，DSP，FPGA 等可編程器件，就會在改進很多。
比如使用一款 STC 的單片機 STC8G1K08，價格僅僅只有 1.3 塊人民幣，包括有眾多的電路外設。其中的模擬比較器可以將輸入正弦波變成方波，并進一步測對應的信號的周期。雖然它沒有 DA 輸出，但高速的 PWM 輸出功能通過濾波也可以形成所需要的信號。
▲ 使用 STC8G1K08 單片機實現(xiàn)相同的功能
?
使用數(shù)字器件完成同樣的信號轉(zhuǎn)換問題，是將信號分解成等時間間隔的脈沖信號（也就是對信號進行采樣），為了能夠使用有限位數(shù)的數(shù)字表示這些采樣，還需要對信號的幅值進行量化（離散化）。只要保證時間和幅值的離散化足夠小，就可以逼近模擬信號。
將輸入的參考正弦波送入到單片機的比較器管腳，內(nèi)部完成過零比較中斷，測量得到對應正弦信號的半周期。然后在根據(jù)設定的三角波的占空比以及幅值，生成對應三角波輸出 DA 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
▲?利用 STC8G1K 內(nèi)部比較器將輸入的正弦波轉(zhuǎn)換成方波
?
通過定時器，按照一定速率（5kHz）將三角波的波形數(shù)據(jù)送到 PWM 定時器，外部在配合一個簡單的 RC 低通濾波器，便可以獲得對應的二倍頻三角波形了。
在本文前面的的動圖就是這個單片機將輸入正弦波信號進行轉(zhuǎn)換后的波形。該方案中，三角波信號的頻率、占空比、幅值之間的調(diào)節(jié)就不在有任何耦合，可以獨立的進行調(diào)節(jié)。
▲ 模擬方案與單片機方案
?
由于受到單片機本身 RAM 容量、CPU 頻率、PWM 分辨率的影響，這個方案對于信號轉(zhuǎn)換有一定的限制：
- 三角波的占空比從 0~100%，分成 100 個等級進行調(diào)節(jié)；三角波的幅值從 0~255，分成 256 個等級進行調(diào)節(jié)；三角波的頻率從 5.6Hz~250Hz。
過低的頻率則需要內(nèi)部有更大的 RAM 來存儲輸出波形的數(shù)據(jù)；更高的頻率則要求內(nèi)部 PWM，CPU 的頻率要更高才行。
比如，下圖顯示了三角波的頻率達到 500Hz 時，輸出波形中就包含了明顯變形失真。這是因為在一個周期內(nèi)之后十幾個采樣點輸出。
▲ 高頻下對應的輸出三角波的形狀
?
在現(xiàn)代的一些電子線路中，除了微弱信號、強功率信號、超高頻信號以及與人的感知交互的等場合，還需要模擬電路設計。越來越多的領域則逐步轉(zhuǎn)向數(shù)字可編程電子線路來完成對信號的處理。
當然了，設計一個可以沿著黑線行進的智能車，如果只允許使用模擬電路的方案，不允許使用 MCU，你覺得可能嗎？
如果你想不到答案的話，也許下面這個黑板上的電路你可以仔細看一下了。這是只使用模擬器件就可以完成巡線機器人的電路。最后就只剩下一個問題，這種使用模擬電路搭建的自主巡線車模還能被稱為智能車嗎？
▲ 只是用一個模擬器件便可以讓車模沿著線行進
?
本文中所涉及到的 STC 單片機進行信號轉(zhuǎn)換的硬軟件文件可以從以下鏈接下載：
- 實驗 AD 設計文件和 C51 程序[3]
參考資料
[1]模擬課程中的問題:?https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106240267
[2]信號轉(zhuǎn)換的解題思路:?https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106293296
[3]實驗 AD 設計文件和 C51 程序:?https://download.csdn.net/download/zhuoqingjoking97298/12453886
