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玩转八位元单晶片,完成高解析度声光控制
数控震荡器 (NCO, Numerically Controlled Oscillator)入门及应用范例

【作者: 賴惠君】2018年10月26日 星期五

浏览人次:【918】
  

由於数位电源控制、LED灯调光或警报器响铃等…都需要一个频率控制器来调整电压、亮度或声音,当频率的解析度越高,越接近线性,就可以使产品的品质及可控制范围提高。


配备於八位元(8-bits)单晶片中的脉冲宽度调变(PWM, Pulse Width Modulation)模组,脉冲宽度(Duty)调整范围常见是8-bits为主,换句话说,最大Duty解析度将被限制在256阶。举例来说,当在LED亮度调整时,因为光线跟电流比为非线性的,根据规格看起来有256阶可以调整,但在低照度时,每调一阶人眼感受到的亮度变化度比高亮度时变化剧烈了。


因此Microchip设计了数控震荡器(NCO)模组於单晶片(MCU)中,NCO模组配备了16或20-bits的暂存器来调整脉宽,让您可以设计一个高解析度的PWM,最大可调范围由原先的256阶升级到65,536 或 1,048,576(万分之一解析度)阶,在程式运行过程中,MCU可以根据设计者的规划,调整出接近线性的频率或脉宽。


NCO模组内建於PIC10、PIC12与PIC16系列产品中。其架构如图一:


图(一) NCO示意图


其主要特性为:


NCO输出公式


  • 16位元的数位频率控制器*1 →最大输出频率500kHz

  • 20位元的数位频率控制器*1 →最大输出频率32MHz

  • 增强频率解析度

  • 多种输入频率来源

  • 调整范围为0.0001%阶,达成真实线性频率控制(根据输入频率)

  • 硬体可独立运作,也可於睡眠(SLEEP)模式下工作*2

  • 两种输出模式

  • 固定50%脉宽输出(FDC, Fixed Duty Cycle Mode)*3


    脉宽频率调变(PFM, Pulse Frequency Modulation)*4


  • 当成通用型20-bit的计时或计数器

  • 根据以上特性加上一些内建於MCU中的周边硬体,就可以完成多种实用的应用范例电路,例如:


    1.数位电源(Digital SMPS-Buck Converter using the PIC12F1501 NCO peripheral)架构如图(二)


    根据图示显示,您可以看到只需一个8只脚的8-bit MCU,既可完成一个数位降压电路,也因为单晶片中内建多种硬体介面,所以可以大大的减少程式介入,由设计者将内部硬体依据需求连接後硬体将自行运转,但软体又可适时地介入调整功能,例如修改或停止输出电压,达到增加整体系统的弹性并减少备料数。


    图(二)数位电源(Digital SMPS-Buck Converter using the PIC12F1501 NCO peripheral)架构


    2.高解析度LED调光(Combining CLC and NCO to implement HRPWM) 架构如图三


    此架构的特色在於LED的光源为非线性,常常在低照度时,所需的PWM解析度相对需要更高,透过PWM加上NCO这两个模组提供了更高的解析度,此范例中最小调整单位为15ps,因此解决了LED在低照度时亮度调整线性度不隹的问题,可以在低照度中提供微调的效果。


    图(三)高解度LED调光(Combining CLC and NCO to implement HRPWM) 架构


    3.曼彻斯特解码(Manchester Decoder Using the CLC and NCO),架构如图四


    此架构提供读者一种不同的思考,NCO配合单晶片内建的逻辑闸,达到一个曼彻斯特波形解码,硬体解码的方法,大量减少软体用轮循解码的时间,减少单晶片耗能。


    图(四)曼彻斯特解码(Manchester Decoder Using the CLC and NCO)架构


    以上为部分运用范例,更多的范例请叁考: http://www.microchip.com/NCO


    ,并与我们经验丰富的设计团队联系。


    综合上述,可以了解到如果需要在一个高解析度的PWM,除了选一个更快的单晶片外,也可用小包装的单晶片(PIC10 - 6pins, PIC12 - 8 pins )配合NCO模组,达到用较小的电路板及精简的电子元件完成所需功能。希??以上资讯可以让您更为了解NCO这个周边,并引发您运用此模组於更多不同的领域中。


    注解:


    *1. 部分MCU内建16位元,部分内建20位元细节请叁考Datasheet


    *2. NCO输入频率必须保持,NCO才能再SLEEP模式下运行


    *3. 根据频率不同,脉冲宽度自动调整为频率的一半输出


    *4. 脉冲宽度为固定的输入频率倍数,调整输出周期


    作者 赖惠君 Microchip应用工程师


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