可編程斜坡發生器（PRG）（在Microchip最近推出的幾款8位PIC^?單片機上提供）是一種高度靈活的模擬外設，旨在簡化需要電壓線性變化的應用。顧名思義，PRG能夠在軟件控制下輸出上升、下降或交替的上升/下降斜坡。不過，經過配置后，外設能夠獨立于內核運行，從而釋放中央處理單元（CPU）來執行其他任務、進入低功耗模式或以其他方式在系統中承擔更多監督角色。通過控制集成恒流源可以動態調整上升和下降時間。憑借靈活的輸入和輸出選項，設計人員可以自由地與片外信號源或單片機上其他外設的信號互連。這通常會使系統響應更快，同時可通過減少外部元件數量來最大程度減少潛在的噪聲源及縮小應用尺寸。圖1給出了外設的框圖。

圖1：PRG模塊簡化框圖

用于配置PRG的有用工具是MPLAB?代碼配置器（MCC），這是一個用戶友好的MPLABX集成開發環境（IDE）插件，見圖3。它生成用于控制和驅動MicrochipPIC單片機外設（如PRG）的驅動程序。PRG可以實現不同的功能，每個功能都可以使用MCC進行設置。

圖2：MCC——PRG模塊硬件設置
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三角波發生器

三角波發生器（TWG）產生周期性的非正弦波形，其三角形形狀具有相等的上升和下降時間。要產生三角波，PRG必須配置為交替上升和下降模式。MCC允許配置上升（RS）和下降（FS）時序輸入源。PRG使用這兩個觸發斜坡上升和下降的參考電壓來確定輸出振蕩頻率。這兩個參考電壓還可確定三角波信號的最小和最大電壓值。

8-bitPIC?MCU8位PIC?MCU

圖3：三角波發生器的外設集成

當PRG輸出低于數模轉換器（DAC）設置的電壓大小時，PRG的RS輸入被觸發，內部電容充電。當PRG輸出超過固定參考電壓（FVR）時，FS輸入被觸發，內部電容放電。

由于PRG沒有指定的輸出引腳，因此PRG的輸出通過單位增益運算放大器進行緩沖。可以計算輸出頻率，但其精度可能受到不同因素影響，例如電容的寄生電阻、噪聲、生產差異和溫度。

頻率值隨著DAC輸出電平或PRG斜率（SR）的改變而變化。輸出斜坡的SR通過PRG的當前設置進行配置。

圖4給出了實現的理想行為。通常，產生的三角波由對稱的周期性交替上升和下降斜坡組成。

圖4：三角波發生器時序圖

最大電壓和最小電壓分別由VFVR和VDAC定義。當信號達到最大電壓或最小電壓時，將設置上升觸發和下降觸發。在MCC中更改斜率設置可用于調整頻率。VDAC的變化也會導致頻率變化，但最小電壓會相應地增加或減少。

PRG的振蕩頻率取決于所選的灌電流和拉電流、內部電容以及設置的上升觸發和下降觸發。通過在PRG的輸出上放置額外的電容，可以實現更低的頻率范圍。

圖5：為實現低頻輸出添加CLC和電容

通過添加可配置邏輯單元（CLC）和外部電容C1，DAC和FVR設置的電壓跳變點可分別觸發上升事件和下降事件。在運算放大器的輸出端添加C1，使其與PRG的內部電容有效并聯。額外的電容延遲了觸發事件之間的時間，從而產生較低的FOUT頻率。

在比較器的輸出端連接CLC，使波形發生器產生方波和脈沖。CLC配置為SR鎖存器，低頻FOUT來自其輸出。與PRG類似，參考電壓觸發置位和復位輸入。FOUT在C1的電壓（OPAOUT）低于DAC電壓大小時置位。一旦OPAOUT高于FVR，就會清除FOUT。
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壓控振蕩器

壓控振蕩器（VCO）是一種輸入控制電壓決定其振蕩頻率的電子振蕩器。VCO的瞬時頻率通常設計成與瞬時電壓成線性比例；輸入電壓越高，其振蕩頻率也越高。VCO實現的PRG操作與TWG類似，不同之處在于輸出頻率來自CLC的斜率鎖存器，可變電壓VCNTRL設置PRG的RS輸入。

圖6：壓控振蕩器的配置

如果VCNTRL的輸入升高，則會縮短重新觸發上升事件所需的時間。因此，拉電流和灌電流之間的切換變得更快并且振蕩頻率增加。

圖7給出了控制電壓與輸出頻率之間的關系，其中有三個PRG斜率值。可以針對期望的頻率范圍改變SR值。較低的SR值可以產生從幾Hz至大約500kHz的頻率。但較大的SR值可以達到兆赫茲范圍。

圖7：VCO輸出頻率與控制電壓的關系

標準VCO電路直接修改振蕩器頻率。對于壓控占空比振蕩器（VCDCO），其控制電壓會修改輸出脈沖的占空比。

除了時基觸發輸出脈沖發生之外，對VCDCO也實現了類似的VCO設置。PWM和TMR模塊確定振蕩器的周期和頻率，而PRG通過VCNTRL確定其占空比。

圖8：使用基于時間的觸發來實現電壓控制的占空比

PWM的上升沿觸發PRGRS輸入并使CLC輸出置1。當PRG輸出超過VCNTRL時，FS輸入被觸發，PRG電容短路并且CLC復位。PRG和CLC輸出將保持低電平，直至下一個TMR溢出和PWM正邊沿。

增加VCNTRL會延長斜坡的上升時間和輸出的正脈沖寬度。

占空比計算為VCNTRL與VMAX的比值。為了提高占空比的范圍，當控制電壓達到給定斜率的VMAX時，定時器周期應等于斜坡的上升時間。

當使用兩個不同的VCNTRL值時，由于定時器和PWM的周期恒定，因此RS觸發序列在兩種條件下統一。但是，由于斜率恒定且VCNTRL較高，在FS觸發之前可能會有一個額外的延時。

PRG斜率和TMR2周期值取決于VCDCO所需的頻率和占空比范圍。PWM的占空比可以設置得足夠低，以觸發PRG的RS輸入。FOUT仍然來自CLCSR鎖存器。PWM和CMP輸出還為CLC提供置位和復位輸入。
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異步單觸發

異步單觸發（AOS）在外部觸發時產生單輸出脈沖。AOS通常稱為單穩態多振子，具有一個穩定狀態。如果其穩定狀態為低電平狀態，則外部觸發信號會將輸出驅動為高電平并持續一段時間。在一個周期結束時，AOS返回其穩定狀態并等待下一個觸發事件。

圖9：使用外部觸發實現單觸發

CLC的復位狀態是AOS的穩定狀態。外部觸發會將PRG的RS輸入置位，并獨立于CLC將AOS的輸出置位。當PRG達到FVR時，FS輸入源被觸發，PRG中的內部電容短路，CLC輸出復位。脈沖寬度的持續時間取決于FVR電壓和PRG斜率。

外部電壓觸發可以取代PWM和TMR模塊來消除PRGRS輸入和和CLC置位源的周期性觸發序列。輸出脈沖來自CLC輸出。
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壓控單觸發

接下來的這個例子是前一次單觸發的升級。一個輸入用作觸發信號，而另一個輸入確定單觸發周期。單觸發的一個應用控制臨界導通模式（CrCM）PFC控制器的導通時間。

圖10：壓控單觸發的配置

輸入電壓VCNTRL確定輸出的單觸發周期或導通時間。VCNTRL的值越大，導通時間越長。當PRG的上升斜坡信號達到VCNTRL時，PRG電容短路，互補輸出發生器（COG）占空比完成。輸出保持低電平，直至信號重新觸發PRG上升斜坡及COG周期開始。

在臨界導通控制器中，COG控制功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的開關。來自誤差放大器的反饋信號被饋送到VCNTRL。恒定的反饋信號將導致固定的導通時間。在導通和關斷狀態期間，電感電流斜升至輸入參考電壓對應的值并分別回落到零。圖11給出了CrCM控制器的電感電流的典型特性。

圖11：固定導通時間CrCM控制器的電感電流波形

要使用MCC配置外設，請使用第二個CMP替換PWM和TMR模塊。在正負輸入源列表中，分別選擇CINx+引腳和FVR。選擇COG模塊來代替CLC并將比較器設置為上升和下降事件源。對于功率轉換器應用，COG外設更適合作為輸出驅動器。
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結論

憑借PRG的豐富功能，可方便地產生電壓斜坡作為參考信號或時序源。可以使用用戶友好的MCC輕松配置這些功能。與MicrochipPIC單片機中的其他幾個外設配合使用時，可以探索更多基于PRG的應用。

作者：MicrochipTechnologyInc.應用工程師 MaryIvaRosarioSalimbao