PWM (脈沖寬度調(diào)制)原理與實(shí)現(xiàn)

1、PWM (脈沖寬度調(diào)制)原理與實(shí)現(xiàn)PWM (脈沖寬度調(diào)制)原理與實(shí)現(xiàn) 1、 PWM原理2、調(diào)制器設(shè)計(jì)思想3、具體實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一、 PWM（脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation）原理： 脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。圖1所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖1中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。 通過圖1b的分析可以看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于脈沖下降沿時(shí)刻t k時(shí)的語音信號(hào)幅度

2、值。因而，采樣值之間的時(shí)間間隔是非均勻的。在系統(tǒng)的輸入端插入一個(gè)采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號(hào)，但是對(duì)于實(shí)際中tk-kTsTs的情況，均勻采樣和非均勻采樣差異非常小。如果假定采樣為均勻采樣，第k個(gè)矩形脈沖可以表示為： （1）其中，xt是離散化的語音信號(hào)；Ts是采樣周期； 是未調(diào)制寬度；m是調(diào)制指數(shù)。然而，如果對(duì)矩形脈沖作如下近似：脈沖幅度為A，中心在t = k Ts處， 在相鄰脈沖間變化緩慢，則脈沖寬度調(diào)制波xp(t)可以表示為： （2）其中， 。無需作頻譜分析，由式（2）可以看出脈沖寬度信號(hào)由語音信號(hào)x(t)加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng) 時(shí)，相位調(diào)制部分引起的信號(hào)交迭可以忽略，

3、因此，脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。二、 數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)： 實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器的基本思想?yún)⒖磮D2。 圖中，在時(shí)鐘脈沖的作用下，循環(huán)計(jì)數(shù)器的5位輸出逐次增大。5位數(shù)字調(diào)制信號(hào)用一個(gè)寄存器來控制，不斷于循環(huán)計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行比較，當(dāng)調(diào)制信號(hào)大于循環(huán)計(jì)數(shù)器的輸出時(shí)，比較器輸出高電平，否則輸出低電平。循環(huán)計(jì)數(shù)器循環(huán)一個(gè)周期后，向寄存器發(fā)出一個(gè)使能信號(hào)EN，寄存器送入下一組數(shù)據(jù)。在每一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)周期，由于輸入的調(diào)制信號(hào)的大小不同，比較器輸出端輸出的高電平個(gè)數(shù)不一樣，因而產(chǎn)生出占空比不同的脈沖寬度調(diào)制波。 圖3 為了使矩形脈沖的中心近似在t=kTs處，計(jì)數(shù)器所產(chǎn)生的數(shù)字碼不是

4、由小到大或由大到小順序變化，而是將數(shù)據(jù)分成偶數(shù)序列和奇數(shù)序列，在一個(gè)計(jì)數(shù)周期，偶數(shù)序列由小變大，直到最大值，然后變?yōu)閷?duì)奇數(shù)序列計(jì)數(shù)，變化為由大到小。如圖3例子。 奇偶序列的產(chǎn)生方法是將計(jì)數(shù)器的最后一位作為比較數(shù)據(jù)的最低位，在一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)，前半個(gè)周期計(jì)數(shù)器輸出最低位為0，其他高位逐次增大，則產(chǎn)生的數(shù)據(jù)即為偶數(shù)序列；后半個(gè)周期輸出最低位為1，其余高位依次減小，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為依次減小的偶序列。具體電路可以由以下電路圖表示：三、 8051中的PWM模塊設(shè)計(jì)：應(yīng)該稱為一個(gè)適合語音處理的PWM模塊，輸出引腳應(yīng)該外接一積分電路。輸出波形的方式適合作語音處理。設(shè)計(jì)精度為8位。PWM模塊應(yīng)包括：1、 比較部分（

5、Comp）：2、 計(jì)數(shù)部分（Counter）：3、 狀態(tài)及控制信號(hào)寄存/控制器（PWM_Ctrl）；1） 狀態(tài)積寄存器：（Flags），地址：E8H ；EN： PWM模塊啟動(dòng)位，置位為1將使PWM模塊開始工作；（留空備用）解調(diào)速率標(biāo)志位：00 無分頻；01 2分頻；10 10分頻；11 16分頻。 （RESET后為00）（留空備用）（留空備用）（留空備用）（留空備用）注意：該寄存器可以位操作情況下可寫，不可讀；只能在字節(jié)操作方式下讀取。2） 數(shù)據(jù)寄存器（DataStore），地址：F8H；注意：該寄存器值不可讀，只可寫。4、 端口：1） 數(shù)據(jù)總線（DataBus）；（雙向）2） 地址總線（Ad

6、drBus）；（IN）3） PWM波輸出端口（PWMOut）；（OUT）4） 控制線： CLK：時(shí)鐘；（IN） Reset：異步復(fù)位信號(hào)；（IN 低電平有效） WR：寫PWM RAM信號(hào)；（IN 低電平有效）； RD：讀PWM RAM信號(hào)；（IN 低電平有效） DONE：接受完畢反饋信號(hào)；（OUT 高電平有效） INT：中斷申請(qǐng)信號(hào)；（OUT 低電平有效） IntResp：中斷響應(yīng)信號(hào)；（In低電平有效） ByteBit：字節(jié)/位操作控制信號(hào)（IN 1-BYTE 0-BIT）； 中斷占用相當(dāng)于MCU8051的外部中斷2，則可保證在5個(gè)指令周期之內(nèi)，“讀取數(shù)據(jù)”中斷必定得到響應(yīng)。 PWM模塊使用

7、方法：因?yàn)檎加昧?051外部中斷1，所以在不使用該模塊時(shí)，應(yīng)該把外部中斷2屏蔽。而PWM模塊產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求可以看作是“能接受數(shù)據(jù)”的信號(hào)。中斷方法如后“中斷讀取數(shù)據(jù)過程”。使用PWM模塊，應(yīng)該先對(duì)內(nèi)部地址8FH的數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)，然后設(shè)置地址8EH的狀態(tài)寄存器最低位（0）為1，即PWM模塊開始工作并輸出PWM調(diào)制波（如TIMER模塊）。在輸出PWM調(diào)制波過程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)PWM寫入下一個(gè)調(diào)制數(shù)據(jù)，保證PWM連續(xù)工作，輸出波形連續(xù)。 （待改進(jìn)）中斷讀取數(shù)據(jù)過程：1. PWM模塊可以讀取數(shù)據(jù)，申請(qǐng)中斷信號(hào)INT置位為0，等待8051響應(yīng)； 2. 8051接受到中斷申請(qǐng)后，作出中斷響應(yīng)，置位IntR

8、esp信號(hào)線為0； 3. PWM模塊收到IntResp信號(hào)后，把中斷申請(qǐng)信號(hào)INT復(fù)位為1，等待8051通知讀取數(shù)據(jù)WR信號(hào)； 4. 8051取出要求數(shù)據(jù)放于數(shù)據(jù)總線（DataBus）上，并置WR信號(hào)為0； 5. PWM模塊發(fā)現(xiàn)WR信號(hào)為0，由數(shù)據(jù)總線（DataBus）上讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，將DONE位置位為1； 6. 8051發(fā)現(xiàn)DONE信號(hào)的上跳變?yōu)?，釋放數(shù)據(jù)總線； 7. PWM模塊完成當(dāng)前輸出周期，復(fù)位DONE為0，從此當(dāng)前數(shù)據(jù)寄存器可以再次接受數(shù)據(jù)輸入。 注意事項(xiàng)：1）輸出的PWM信號(hào)中的高電平部分必須處于一個(gè)輸出周期的中間，不能偏離，否則輸出語音經(jīng)過低通后必定是一失真嚴(yán)重的結(jié)

9、果。2）對(duì)于8位精度的PWM，每個(gè)輸出周期占用256（28）個(gè)機(jī)器周期，但是包含256個(gè)機(jī)器周期至少有22個(gè)指令周期，亦即264（22*12）個(gè)機(jī)器周期，由于語音信號(hào)的連續(xù)性，256與264之間相差的8個(gè)機(jī)器周期是不能由之丟空的，否則也會(huì)使輸出信號(hào)失真。如果將須輸出數(shù)字量按256/264的比例放大輸出，亦不可行，因?yàn)槿绱朔钦麛?shù)比例放大，放大倍數(shù)很小，則經(jīng)過再量化后小數(shù)部分亦會(huì)被忽略掉，產(chǎn)生失真。舉例：輸出數(shù)字量為16，按比例放大后為16.5，更會(huì)產(chǎn)生難以取舍的問題。故采取以下辦法：該模塊以時(shí)鐘周期為標(biāo)準(zhǔn)，而與TMBus無關(guān)，即基本上與8051部分異步工作。讀取數(shù)據(jù)方式為每次讀取足夠數(shù)據(jù)段儲(chǔ)存于模塊內(nèi)的RAM內(nèi)（暫定每次讀取8字節(jié)），儲(chǔ)存字節(jié)數(shù)必須能保證PWM輸出該段數(shù)據(jù)過程中，有足夠時(shí)間從RAM處繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。由于占用了8051的外部中斷2，中斷申請(qǐng)?jiān)?個(gè)指令周期（36個(gè)時(shí)鐘周期