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玩轉八位元單晶片,完成高解析度聲光控制
數控震盪器 (NCO, Numerically Controlled Oscillator)入門及應用範例

【作者: 賴惠君】   2018年10月26日 星期五

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由於數位電源控制、LED燈調光或警報器響鈴等…都需要一個頻率控制器來調整電壓、亮度或聲音,當頻率的解析度越高,越接近線性,就可以使產品的品質及可控制範圍提高。


配備於八位元(8-bits)單晶片中的脈衝寬度調變(PWM, Pulse Width Modulation)模組,脈衝寬度(Duty)調整範圍常見是8-bits為主,換句話說,最大Duty解析度將被限制在256階。舉例來說,當在LED亮度調整時,因為光線跟電流比為非線性的,根據規格看起來有256階可以調整,但在低照度時,每調一階人眼感受到的亮度變化度比高亮度時變化劇烈了。


因此Microchip設計了數控震盪器(NCO)模組於單晶片(MCU)中,NCO模組配備了16或20-bits的暫存器來調整脈寬,讓您可以設計一個高解析度的PWM,最大可調範圍由原先的256階升級到65,536 或 1,048,576(萬分之一解析度)階,在程式運行過程中,MCU可以根據設計者的規劃,調整出接近線性的頻率或脈寬。


NCO模組內建於PIC10、PIC12與PIC16系列產品中。其架構如圖一:


圖(一) NCO示意圖


其主要特性為:


NCO輸出公式


  • 16位元的數位頻率控制器*1 →最大輸出頻率500kHz

  • 20位元的數位頻率控制器*1 →最大輸出頻率32MHz

  • 增強頻率解析度

  • 多種輸入頻率來源

  • 調整範圍為0.0001%階,達成真實線性頻率控制(根據輸入頻率)

  • 硬體可獨立運作,也可於睡眠(SLEEP)模式下工作*2

  • 兩種輸出模式

  • 固定50%脈寬輸出(FDC, Fixed Duty Cycle Mode)*3


    脈寬頻率調變(PFM, Pulse Frequency Modulation)*4


  • 當成通用型20-bit的計時或計數器

  • 根據以上特性加上一些內建於MCU中的周邊硬體,就可以完成多種實用的應用範例電路,例如:


    1.數位電源(Digital SMPS-Buck Converter using the PIC12F1501 NCO peripheral)架構如圖(二)


    根據圖示顯示,您可以看到只需一個8隻腳的8-bit MCU,既可完成一個數位降壓電路,也因為單晶片中內建多種硬體介面,所以可以大大的減少程式介入,由設計者將內部硬體依據需求連接後硬體將自行運轉,但軟體又可適時地介入調整功能,例如修改或停止輸出電壓,達到增加整體系統的彈性並減少備料數。


    圖(二)數位電源(Digital SMPS-Buck Converter using the PIC12F1501 NCO peripheral)架構


    2.高解析度LED調光(Combining CLC and NCO to implement HRPWM) 架構如圖(三)


    此架構的特色在於LED的光源為非線性,常常在低照度時,所需的PWM解析度相對需要更高,透過PWM加上NCO這兩個模組提供了更高的解析度,此範例中最小調整單位為15ps,因此解決了LED在低照度時亮度調整線性度不佳的問題,可以在低照度中提供微調的效果。


    圖(三)高解度LED調光(Combining CLC and NCO to implement HRPWM) 架構


    3.曼徹斯特解碼(Manchester Decoder Using the CLC and NCO),架構如圖(四)


    此架構提供讀者一種不同的思考,NCO配合單晶片內建的邏輯閘,達到一個曼徹斯特波形解碼,硬體解碼的方法,大量減少軟體用輪循解碼的時間,減少單晶片耗能。


    圖(四)曼徹斯特解碼(Manchester Decoder Using the CLC and NCO)架構


    以上為部分運用範例,更多的範例請參考: http://www.microchip.com/NCO,並與我們經驗豐富的設計團隊聯繫。


    綜合上述,可以了解到如果需要在一個高解析度的PWM,除了選一個更快的單晶片外,也可用小包裝的單晶片(PIC10 - 6pins, PIC12 – 8 pins )配合NCO模組,達到用較小的電路板及精簡的電子元件完成所需功能。希望以上資訊可以讓您更為了解NCO這個周邊,並引發您運用此模組於更多不同的領域中。


    註解:


    *1. 部分MCU內建16位元,部分內建20位元細節請參考Datasheet


    *2. NCO輸入頻率必須保持,NCO才能再SLEEP模式下運行


    *3. 根據頻率不同,脈衝寬度自動調整為頻率的一半輸出


    *4. 脈衝寬度為固定的輸入頻率倍數,調整輸出周期


    作者 賴惠君 Microchip應用工程師


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