带Arduino和X9C104数字控制电位器的伪锁相环

描述

带 Arduino 和 X9C104 数字控制电位器 (XDCP) 的伪锁相环

该项目展示了如何使用带有 X9C104 的 Arduino 来实现频率发生器，以便使用反馈回路优化频率。这是 PLL 电路中使用的原理。

该项目展示了 X9C104 IC 如何由 Arduino 控制并在带有 555 定时器电路的反馈回路中使用以输出用户所需的输入频率。通过使用连接到 Arduino 中断的反馈回路将此频率设置为接近输入。

显示中断反馈的完整电路

 

电路的简化框图如下所示：

整体框图

 

基本操作原理：

• 用户通过 Arduino 串行监视器输入所需的频率。
• Arduino 接受输入并将 X9C104 编程为初始设置
• 555定时器电路中的X9C104电阻调节振荡频率
• 产生的方波被反馈到 Arduino 中断（引脚 2）
• 使用中断处理例程，确定方波的频率
• 将该频率与要求的频率进行比较并对 X9C104 进行调整
• 再次测量频率并执行第二次优化
• 555 定时器输出方波的频率稳定到用户在步骤 1 中设置的值

X9CXXX 数控电位器 (XDCP)

X9CXXX 集成电路由 Intersil（最近被 Renesas Corporation 收购）制造，代表其数字控制电位器系列。该装置包括电阻阵列、控制部分和非易失性存储器。阵列的电阻由三线数字接口控制。

来自 Intersil 数据表的框图：

X9CXXX 框图

 

该器件可用作二端可变电阻器或三端电位器。它包括非易失性存储器，可在掉电时保存最后一个电阻值，并在随后的上电时将电阻器阵列设置为此值。

滑动器位置的控制以及电阻由三个数字输入决定：

• 通过将 CS 拉低来选择设备。
• 向上/向下 (U/D) 的状态决定了滑动端是靠近 Vh/Rh 还是靠近 Vl/Rl。
• 每次 INC 被拉低然后返回高电平时，滑动器移动一步。
• 滑动器有 100 个可能的位置 (0 – 99)，允许以总阻力的 1% 为增量步长。
• 当游标到达顶部或底部（Vh/Rh 或 Vl/Rl）时，它不会再移动，也不会环绕到另一个极端。

重要的是要记住，对于每个 INC 周期，滑动器移动一个增量。擦拭器不能跨越多个步骤。这意味着从第 10 步移动到第 20 步需要 10 个 INC 周期。

Vh 和 Vl 不能超过 Vcc 和 Vss。

可在 Renesas 网站上找到设备的完整规格。

项目电路

本项目中使用的 555 定时器电路是标准的非稳态振荡器。有多篇文章记录了该电路的工作原理，快速搜索即可找到相关说明。

电路图

 

在高层次上，操作如下：

• 引脚 7 为高电平时，电容器 C1 通过 R1 和 X9C104 中的可变电阻器充电
• 在某个阈值电压下，555 定时器内部触发器 s1 开关和引脚 7 变为低电平
• 然后电容 C1 通过 X9C104 中的可变电阻放电。
• 在较低的阈值电压下，55 定时器内部触发器切换回来并重复该循环。

频率和占空比的公式如下：

频率和占空比

 

此处使用的电路中，R2 为 100 kΩ(X9C104)，R1 为 1 kΩ。由于存在差异，电路的频率和占空比实际上由 R2 的值设置，除非 R2 的值非常低。这意味着可以忽略 R1，频率方程可以简化为：

简化的频率方程

 

要计算将导致所需频率变化的电阻变化，一些数学将显示

三角电阻

 

选择 R1、R2 和 C1 的值，以便电路生成可听频率范围内的方波。

本文开头的照片显示了物理电路。

Arduino 中断

Arduino 板核心的 ATmega328P 接受中断。有效中断会停止当前程序流并启动中断服务例程，该例程会在将控制权交还给先前的程序流之前完成一些操作。

有关 Arduino 中断的详细说明，请参阅 Arduino 语言参考和Nick Gammon 撰写的精彩文章

请注意，Arduino 指令集中可用的一些标准函数（例如 delay() 和 millis()）将无法在中断服务例程中运行，因为这些函数依赖于中断本身来运行。

在 Arduino 代码中，使用 attachInterrupt() 命令打开中断。本项目使用的命令具体版本如下：

attachInterrupt( digitalPinToInterrupt(interruptPin), trig_detected, RISING );

interruptPin 指定 Arduino 上接受中断的数字引脚，trig_detected 是处理中断的中断服务程序 (ISR)，RISING 是触发中断的状态变化。

中断完成其功能后，可以使用以下方法将其关闭：

detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin))

在这个项目中，由于我们使用方波触发中断，每次从低 (0V) 到高 (5V)（上升波形）的转换都会导致 trig_detected 启动。

这个项目的Arduino代码

他的代码使用了 Arduino 的 Fast X9CXXX 库。该库可在 GitHub 上找到：

https://github.com/GitMoDu/FastX9CXXX

在编译代码之前，请确保代码已下载并包含在您的 Arduino 库文件夹中。

该功能的整体流程在简介中进行了描述。

程序的设置部分使用 Arduino 的引脚 3、4 和 5 启动 X9C104 对象。电位器设置为 50 步（中途）。

主循环等待用户通过串口监视器输入；此输入必须是所需的频率。由于此项目的设计，输入频率可以在 80 Hz 和 550 Hz 之间，并作为单个数字输入（例如 80 或 550）。如果改变C、R1和R2的值，将产生不同的频率。

一些附加说明：

• 代码中的中断服务程序（ISR）称为void trig_detected()。它返回从 micros() 派生的两个值，然后将这两个值相互相减以获得中断事件之间的持续时间。该持续时间是方波频率的倒数。
• 方波持续时间的 12 个样本被获取并存储在一个数组 (trigArray) 中。计算最后 10 个的平均值。
• 这些频率用于计算 ΔR 值，该值用于设置电位器值。
• 执行两个调谐例程以使频率等于输入值。

最后的话

电路的频率测量是在各种输入值下进行的。结果列于下表：

结果

 

当然，该电路存在固有的局限性。主要限制是电位器的步进性质。由于频率到电阻的方程式，单个电位器步进会导致较高频率下的宽频率跳变。

此外，在 ISR 中使用 micros() 可能无法在不同频率下工作。使用定时器寄存器可以解决这个问题。

但是一个具有多个应用程序的有趣项目。