Rechteckgenerator mit seriellem Eingang

Schaltung

Die Schaltung besteht aus einem PIC16F628 und einer 20-MHz Taktquelle Vier Pins des Port B dienen als serielles Interface. Alle Pins des Port A dienen als Taktausgang. In der Schaltung sind stellvertretend Pin RA0 (normaler Ausgang) und RA4 (open-Drain-Ausgang) dargestellt.

Zum Aufbau eignet sich z.B. die 18-Pin-Testplatine. oder die 18-Pin-Minitestplatine.

Viele PICs haben PWM-Ausgänge, mit denen sie Frequenzen erzeugen können. Der Frequenzbereich dieser Ausgänge ist aber beschränkt, und genügte in diesem Beispiel nicht den Anforderungen. Aus diesem Grund wird die Rechteckschwingung hier mit einer Softwareschleife erzeugt.

Dafür verwende ich zwei 24-Bit breite Register (die aus jeweils 3 Speicherzellen von je 1 Byte Größe bestehen). Im Register f steht ein Zahlenwert. Dieser wird alle 3,8 Mikrosekunden auf den Zahlenwert im Register Akku aufaddiert. Dadurch steigt der Wert in Akku an, bis das Register schließlich "überläuft" und auf einen Wert nahe Null zurückfällt. Danach steigt Akku wieder. Der Wert in Akku folgt also in etwa einer Sägezahnfunktion. Das höchstwertigste Bit von Akku (MSB) ist als Ausgang herausgeführt. Nach jedem Überlauf steht es auf "0". Etwa in der Mitte der Sägezahlkurve wechselt MSB auf  "1". Dadurch beschreibt MSB eine Rechteckfunktion mit der Frequenz des Sägezahns. Die Frequenz des Rechtecks bestimmen der Zahlenwert in f und der feste Abstand zwischen den Additionen von 3,8us.

Da Akku 24 Bit groß ist, läuft es beim Überschreiten von 16777215 (0xFFFFFF) über. Die Frequenz des Rechtecks kann man wie folgt berechnen:

Folgende Näherung hat einen Fehler von nur 0,4%, und sollte meistens ausreichend sein:

Die erzeugte Frequenz lässt sich also einstellen, wenn man den Wert in f ändert. Um beispielsweise 100 Hz zu erzeugen, schreibt man 100 x 64 = 6400 in das Register f. Dadurch lässt sich die erzeugte Frequenz im Bereich von 0 Hz bis zu etwa 64 kHz frei einstellen.

Die gewählte Lösung ist zwar sehr einfach, hat aber auch einen kleinen Schönheitsfehler. Da Akku nur alle 3,8 Mikrosekunden verändert wird, kann sich das MSB von Akku auch nur im 3,8-us-Rythmus ändern. Um mit dieser Einschränkung z.B. 100 Hz zu erzeugen, können beispielsweise die High- und Low-Zeiten einer 100Hz-Welle nicht genau 5000 Mikrosekunden (1/200 s) lang sein, sondern entweder 4997 us (3,8 us x 1315) oder 5000,8 us (3,8 us x 1316). Der erzeugte Rechteck wechselt ständig zwischen diesen beiden Werten und garantiert einen Durchschnittswert von 5000 us. Bei vielen Anwendungen mag das nicht störend auffallen.
Lediglich wenn im Register f eine Zweierpotenz steht, tritt dieser störende Nebeneffekt nicht auf.

Serielle Anschlüsse sind beliebt, da sie mit wenigen Anschlusspins und folglich mit wenigen Verbindungen zwischen Datenquelle und Datenempfänger auskommen. Typische Beispiele sind RS232, USB, I2C, SPI oder CAN, die an anderer Stelle beschrieben werden.

Das hier verwendete synchrone serielle Interface besteht aus einem Schieberegister, das lang genug sein muss, um die gesamte zu empfangene Information aufzunehmen. In unserem Fall ist es 16 Bit lang. Mit Hilfe einer Taktleitung (serial clock in) und einer Datenleitung (serial data in)  werden alle zu empfangenden 16 Bits nacheinander in das Schieberegister hineingeschoben. Danach wird mit einem Ladesignal auf einer Load-Leitung (serial load) der 16-Bit Wert in die Schaltung übernommen. In diesem Fall soll ja der Wert des f-Registers verändert werden, also laden wir den 16-Bit-Wert in dieses Register. In diesem speziellen Fall laden wir den 16-Bit Wert um 6 Bit verschoben in das f-Register. Das entspricht einer Multiplikation mit 64. Folglich erzeugt der Rechteckgenerator nun die Frequenz (in Herz), die als Zahlenwert in das Schieberegister geschoben wurde (siehe oben).

Die nachfolgende Grafik illustriert das. Achtung: In dieser Abbildung steht das höchtswertige Bit rechts und das niederwertigste Bit links.

Das letzte Bit des Schieberegisters liegt immer an der Datenausgangsleitung (serial data out) an. Das erlaubt es, mehrere Schieberegister (z.B. von mehreren Rechteckgeneratoren) in Reihe zu schalten und über den selben Bus zu steuern.
Sowohl "serial clock in" wie auch "serial load" sind high-aktiv, dass bedeutet das Schieberegister reagiert auf den low-high-Übergang des Signals.

• Initialisierung der Port-Pins
• f mit einem Standardwert (z.B für 100 Hz) laden
  
• Interrupt durch RB0 und RB4 erlauben
 
• Beginn der Endlosschleife
• Akku um f erhöhen
  
• den Wert des MSB von Akku am Port A ausgeben
• zurück zum Schleifenanfang
  



• bei Interrupt an RB4
  
• den Wert von RB1 in das LSB des Schieberegisters hineinschieben
• das MSB des Schieberegisters an RB3 ausgeben
  
• bei Interrupt an RB0
• den momentanen Wert des Schieberegisters um 6 Bit verschoben in f einschreiben.

Programmlisting

• Assemblerlisting + HEX-File

Ergänzung
Das ist noch mal ein ähnliches Programm, nur das diesmal der 16-Bit-Eingangswert keine Hexadezimalzahl sondern eine 4-stellige BCD-Zahl darstellt (MSD zuerst). Damit lassen sich natürlich nur Frequenzen bis zu 9999 Hz erzeugen.

• Assemblerlisting + HEX-File