一种用于汽车电磁阀质量测试电源的设计

电磁阀在现代汽车中应用十分广泛，电磁阀的性能与汽车的性能紧密相关。施加到电磁阀的电源在实际工作时的状态是异常复杂的，主要表现在电磁阀电源的 电压幅度、频率、占空比的复杂性和随机性。为了保证电磁阀出厂的质量，本文设计并制作了一种便于模拟汽车电磁阀实际工作状态的电源。根据电磁阀在汽车中的 工作要求，对电磁阀在各种工作状态下的质量要求进行模拟测试。同时解决测试出口电磁阀产品性能指标的难题，为我国电磁阀的出口产品提供必要的技术性能测试 设备。

1 系统结构与工作原理

如图1所示，整个系统包括单片机、I/O扩展电路、D/A转换电路、PWM产生电路、频率选择电路、光电隔离和驱动电路及键盘和显示电路。系统以单 片机为控制中心，采用DDS芯片AD9851和PWM控制芯片SG3525为波形发生设备，采用8255A扩展单片机外围接口作为三路D/A转换电路数据 输入口，三路模拟电压分别用于控制频率、占空比和幅度。通过单片机处理数据控制波形发生设备输出信号的频率和占空比，再通过后级的频率选择电路和光耦隔离 与驱动电路，实现输出频率、占空比和幅度可调的PWM信号。此外，人机接口采用键盘和LCD显示，通过RS 232串口进行通信后，由PC机实现。

2 信号产生与控制电路设计

系统要求产生频率在O～25 000 Hz之间占空比可调的PWM信号，采用PWM控制芯片SG3525可以很方便地产生频率和占空比独立可调的PWM信号，但由于SG3525在150 Hz以下频率极不稳定，因此需要将信号分为两个频率段进行设计，其中低频段为O～200 Hz，采用AD9851作为信号发生器，高频段为200～25 000 Hz，采用SG3525作为信号发生器。

2.1 低频段PWM信号产生电路

AD9851是高集成度的直接数字频率合成器，该器件频带宽、频率与相位均可控。其主要组成为：相位累加器、相位相加器、波形存储器、数字相乘器和D/A 转换器。基本工作为：在采样时钟信号的控制下，通过由频率码控制的相位累加器输出相位码，将存储于只读存储器中的波形量化采样数据值按一定的规律读出，经 D/A转换和低通滤波后输出正弦信号。

低频段信号产生电路如图2所示，设计电路中，AD9851外接30 MHz有源晶振作为参考频率源。单片机与AD9851采用高速并行接口工作方式，以AT89C55的引脚P1.0～P1.7作为AD9851的并行数据输 入端口，P2.O，P2.1，P2.2作为I/O口输出数据对AD9851的RESET，FQ_UD，W_CLK进行控制。AD9851输出频率可变的方 波送到单片机外部中断INT0，P2.3为低频PWM信号输出端口。单片机具体输入方式为：有效复位信号RESET使输入数据地址指针指向第1个输入寄存 器，W_CLK上升沿写入第1组8位数据，指针指向下一个输入寄存器。连续5个W_CLK上升沿完成全部40位控制数据的输入。此后WCLK信号上升沿无 效。FQ_UD上升沿到来时这40位控制数据由输入寄存器写入频率，相位控制寄存器，更新输出频率和相位，同时把地址指针复位到第1个输入寄存器，等待下 一组新数据的写入。

AD9851首先通过IOUT引输出频谱纯净的正弦信号，输出经外部无源低通滤波后，由引脚VINP进入AD9851内部高速比较器，最后由引脚 VOUTN输出得到稳定性很好的方波。将方波引入单片机外部中断引脚，中断设置为下降沿触发，将单片机端口P2.3设置为低频PWM信号输出端。如图3所示，P2.3口输出频率与INT0一致，占空比可调的矩形波。

具体控制占空比过程如下：单片机进入外部中断之后，将P2.3置高电平，延时一段时间t，再将P2.3置低电平。这样P2.3口就输出占空比q%=t/T的矩形波，通过改变延时t就能改变占空比，延时函数如下：

单片机晶振为12 MHz时，此函数延时8c μs，假设AD9851输出频率为f的方波送给INT0，例如需要产生占空比为q%的矩形波，则满足如下关系：

因此延时时间t=delay(1 250q/f)时，即可由P2.3口输出频率为f，占空比为q%的矩形波。需要注意的是，如果频率很高，T很小，因为延时函数t延时8μs整数倍，所以占空比控制精度将会无法保证，频率越高，精度越低。由于本设计低频率段在0～200 Hz范围内，AD9851送给外部中断引脚的方波周期比较大，因此采用上述方法可以比较精确地控制q在O～100内变化，输出比较理想的频率占空比独立可调的低频PWM信号。[!--empirenews.page--]

2.2 高频段PWM信号产生电路

SG3525是一种性能优良、功能齐全、通用性强的单片集成脉宽调制控制器，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了控制电路的设计及调试。因此选择SG3525作为本设计的高频PWM信号发生器，产生200～25 000 Hz的PWM信号。

高频段PWM信号产生电路如图4所示。单片机通过两路D/A转换之后产生两个模拟电压信号，分别用于控制SG3525的占空比和频率。通过控制调频 三级管 Q1的基极电压Ub来调节SG3525的2脚Non上的电流大小，达到控制SG3525输出PWM频率的目的。通过改变控制三级管Q2的基极电压Ub来调 节SG3525的6脚RT上的电流大小，达到控制SG3525输出PWM占空比的目的。本设计中把SG3525的11脚、14脚与12脚接地，让PWM脉 冲由13脚VC输出，这样既保证了13脚的输出与锁存器的输出一致，而且又输出频率占空比独立可调PWM信号。此外，由于输出频率和占空比分别与控制它们 的两路模拟电压信号为线性关系，所以软件实现也很方便。

3 频率选择电路

需要将低频段与高频段PWM信号结合才能得到完整频率段PWM信号，因此需要进行频率选择，本系统的频率选择电路如图5所示。首先将两路 PWM信号分别转换为标准TTL电平，低频段PWM信号通过74LS00和上拉电阻即可实现TTL电平，在高频段由于SG3525输出幅值为12 V，因此需要5 V稳压管降低幅值，再由74LS00和上拉电阻输出TTL电平。通过单片机控制单片集成模拟开关MAX318来实现频率的选择，这里选用常开脚NO作为开 关的输入，公用端COM作为输出信号。通过IN脚的真值来切换开关状态，分别通过单片机I/O端口P2.3和P2.4控制，当IN逻辑真值为0时，断开 NO端，当逻辑真值为1时，导通N0端。同一时刻只能有一个芯片的IN脚为高电平，另一个必须为低电平，否则会使两路信号发生串扰。

4 光耦隔离与驱动电路

PWM控制电路与驱动电路之间需要进行电气隔离，以消除主电路对信号发生电路的干扰。PWM信号发生电路产生的PWM信号电流太小，不能直接驱动功 率放大管，而且无法调整输出PWM电源输出的幅度，由此设计了光耦隔离与驱动电路。电路如图6所示，PWM作为整个电路的控制信号，经过光耦隔离放大后再 由两级开关三极管来控制主电路的通断，在电磁阀上产生频率和占空比可变的PWM脉冲信号，同时单片机通过D/A转换产生一路可变的模拟电压信号，该信号经 过电压负反馈电路以稳定输出电压幅度，再通过连续几级射级跟随器以增大输入电流以驱动功率管，通过改变输入电压就可以改变施加在电磁阀上的PWM电压幅 度，实现幅度在0～36 V之间任意设置。

5 结语

设计的用于模拟汽车电磁阀工作状态的PWM电源，通过矩阵键盘和LCD实现人机对话，通过单片机处理数据来控制PWM波的频率、占空比和幅度，所有 对电源要求的数据都可以通过键盘传送给单片机，并且通过LCD实时显示。单片机产生的控制信号来模拟电磁阀的实际工作状态，可以对汽车电磁阀在各种工作状 态下的质量要求进行检测，保障电磁阀出厂前的质量。该电源运行稳定、精度高，目前已成功应用到汽车电磁阀的生产企业，为企业创造了显著的经济效益，为我国 电磁阀的出口做出了贡献。