随着技术的发展，传统意义上单一的功率放大器已不能满足工程的需求，功能复杂的功率放大器需求量逐年上升。功能复杂的功率放大器主要是在单一功率放大器的基础上增加了测量、控制以及和上位机的通信功能。对于复杂的脉冲功率放大器常常需要对调制脉冲的正脉宽和占空比进行测量，以判断功率放大器是否工作正常。对于正脉宽和占空比的测量，如果采用硬件电路实现则会占用比较大的PCB板面积，而且测量误差较大，而采用单片机实现则会更加便捷。

通常利用单片机的定时器功能测量正脉宽和占空比，而复杂脉冲功率放大器定时器除测量正脉宽和占空比外，还被用于产生串口通讯波特率、数据的定时采集等。本文提出了利用单片机C8051F121的可编程计数器阵列(PCA)对调制脉冲的脉宽和占空比进行测量。

1 可编程计数器阵列(PCA)

可编程计数器阵列(PCA)提供增强的定时器功能，与标准8051计数器/定时器相比，它需要较少的CPU干预。PCA包含一个专用的16位计数器/定时器和6个16位捕捉/比较模块。每个捕捉/比较模块有自己的I/O线(CEXn)，当被允许时，I/O线通过交叉开关连到端口I/O。计数器/定时器由一个可编程的时基信号驱动，时基信号有6个输入源：系统时钟、系统时钟/4、系统时钟/12、外部振荡器时钟源8分频、定时器0溢出和ECI线上的外部时钟信号。每个捕捉/比较模块可以被编程为独立工作在以下几种工作方式之一：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出和8位PWM，如图1所示。

图1 PCA原理框图

2 测量原理

为了实现对调制脉冲占空比和正脉宽测量，需将被测调制脉冲连接到PCA模块0和模块1对应的IO引脚上，同时将PCA设置为边沿触发模式。将模块0设置为上升沿触发来采样脉冲上升沿到来的时间，模块1设置为下降沿触发来采样脉冲下降沿到来的时间。定义3个数组shangsheng[i](i=0,1…9)、capture_value[j](j=0,1…19)和CFCnt[x](x=0,1，…，9)。利用shangsheng[i]记录调制脉冲上升沿到来的时间，capture_value[j]同时记录调制脉冲上升沿和下降沿到来的时间，而CFCnt[x]则记录在等待调制脉冲上升沿和下降沿到来期间定时器溢出的次数。对被测调制脉冲进行10个周期的采样，避免采样数据出现错误，从而带来计算误差。三者之间的关系如图2所示。

图2 采样时序图

对数组shangsheng[i](i=0,1，…，9)、capture_value[j](j=0,1，…，19)和CFCnt[x](x=0,1，…，9)，中的数据进行处理。提取数组shangsheng[i](i=0,1，…，9)中的数据和capture_value[j](j = 0,1，…，19)中的数据进行比较，当shangshen[i]=capture_value[j]时，此时如果shangsheng[i+1]=capture_value[j+2]成立，则定义flag，同时令flag=j，停止比较。通过计算可以获得被测调制脉冲的正脉宽(PosWidth)和负脉宽(NegWidth)，进一步获得该脉冲的周期(Period)和占空比(DutyRatio)，计算公式如式(1)～式(4)所示。

PosWidth=CFCnt[flag+1]×65 536+capture_value[flag+1]-capture_value[flag]

(1)

NegWidth=CFCnt[flag+2]×65 536+capture_value[flag+2]-capture_value[flag+1]

(2)

Period=PosWidth+NegWidth

(3)

DutyRatio=100×PosWidth÷Period

(4)

3 软件程序和测量结果

(4) 使能C8051F121的总中断(EA = 1)、PCA0中断(EIE1.3=1)、捕捉/比较标志中断(PCA0CPM0 = PCA0CPM1 = 1)以及PCA计数器/定时器溢出中断(PCA0MD = 1)。

(3) 使能PCA数字外设(PCA0CN.6 = 1)，将PCA0的模块0设置为上升沿触发(PCA0CPM0.5 =1)，模块1设置为下降沿触发(PCA0CPM1.4=1)；

(2) 对I/O引脚进行初始化，利用端口I/O交叉开关寄存器XBR0、XBR1和XBR2将I/O引脚分配给PCA数字外设；

首先，是否真正在服务、改善和保障民生方面发挥了重大作用，赢得了民心。坚持民生优先是水利工作的首要原则。发展民生水利就要把人民群众的满意度作为民生水利建设成效的“第一评价”。多年来广东的城乡水利防灾减灾工程、农村饮水安全工程、病险水库除险加固工程之所以能够顺利推进、如期完成，就是因为它们是纾民困、解民忧、顺民心、得民意的民生工程，得到了广大人民群众的拥护和支持。

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(1) 使能内部振荡器、不对内部振荡器进行分频(OSCICN = 0X80)，通过设置系统时钟选择寄存器(CLKSEL.1～0)选择单片机的系统时钟SYSCLK，该系统时钟也是PCA的时基信号；

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在单片机初始化时，需要进行如下设置：

初始化完成后，开始对脉冲进行采样，当对调制脉冲完成10个周期的采样时，将采集到的数据存储到shangsheng[i](i=0,1，…，9)、capture_value[j](j=0,1，…，19)和CFCnt[x](x=0,1，…，9)中，然后关闭PCA0中断。对采集到的数据进行处理，计算得到脉冲的占空比和脉宽，软件执行流程如图3所示。

图3 软件执行流程

在将C8051F121的系统时钟设置为3种不同数值的情况下，测量得到的大量数据，提取部分数据形成数据表1～表3。表中的实际值是利用示波器测量获得，测量值时由单片机C8051F121测量得到，其中表1的测试条件为C8051F121系统时钟24.5 MHz，表2的测试条件为系统时钟73.5 MHz，表3的测试条件为系统时钟98 MHz。对表1的数据进行分析发现当测量脉冲的周期小于4 μs时无法测量得到准确数值，例如表1中的第2、3项。说明在该测试条件下当测量脉冲的周期小于4 μs时则无法测量。表3中的数据说明C8051F121测得的脉冲周期为1.2 μs，最小脉宽为400 ns。由于C8051F121的工作频率最高为100 MHz，可以认为C8051F121可以测量的最小脉宽为400 ns，最小周期为1.2 μs。将表1、表2和表3中的测量值和实际值进行比较，正脉宽的测量值和实际值的最大误差为62 ns，占空比的测量值和实际值的最大误差为0.8%，该误差完全可以满足脉冲功率放大器调制脉冲脉宽和占空比的测量，充分证明了利用C8051F121的数字外设PAC测量脉冲脉宽和占空比的可行性和准确性。

表1 24.5 MHz下脉宽和占空比的测量

序号正脉宽实际值/μs周期实际值/μs占空比实际值/%正脉宽测量值/μs周期测量值/μs占空比测量值/μs11 212430 31 2244 0430 2921 2123 64633 24———31 5773 27948 09———41 577439 431 5914 0439 3852 3054 37352 712 3674 44953 20619 06821 588 6919 121 6988 0672 6695 4648 822 6515 4948 2282 3057 65330 122 3677 7530 53

表2 73.5 MHz下脉宽和占空比的测量

序号正脉宽实际值/ns周期实际值/μs占空比实际值/%正脉宽测量值/ns周期测量值/μs占空比测量值/%1764 51 578548 437761 60548 3425221 45735 835311 46936 143400 51 45727 494081 46927 74415783 64643 2815913 65943 48

表3 98 MHz下脉宽和占空比的测量

序号正脉宽实际值/ns周期实际值/μs占空比实际值/%正脉宽测量值/ns周期测量值/μs占空比测量值/%16431 33648 136631 35748 8525211 09347 675311 11247 75323432 914580 3923762 9680 2744001 09336 593981 09236 45

4 结束语

本文提出的测量方法精确度高，易于实现，可以测量的最小脉冲周期为1 μs，最小脉宽为400 ns，基本满足脉冲功放中对调制脉冲占空比和正脉宽的测量。对于复杂的脉冲功放而言，不再占用控制电路的定时器资源，避免定时器资源紧张的局面。

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