PWM-(脈沖寬度調制)原理與實現

1、射頻CMOS電路分析與設計 院部： 信息工程學院 班級： 13電子信息工程 姓名： 方 賢 超 學號： PWM (脈沖寬度調制)原理與實現1、 PWM原理2、調制器設計思想3、具體實現設計一、 PWM（脈沖寬度調制Pulse Width Modulation）原理： 脈沖寬度調制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。圖1所示為脈沖寬度調制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數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制的脈沖寬度調制波。 通過圖1b的分析可以

2、看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于脈沖下降沿時刻t k時的語音信號幅度值。因而，采樣值之間的時間間隔是非均勻的。在系統(tǒng)的輸入端插入一個采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號，但是對于實際中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個矩形脈沖可以表示為： （1）其中，xt是離散化的語音信號；Ts是采樣周期； 是未調制寬度；m是調制指數。然而，如果對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由語音信號x(t)加上一個直流

3、成分以及相位調制波構成。當 時，相位調制部分引起的信號交迭可以忽略，因此，脈沖寬度調制波可以直接通過低通濾波器進行解調。二、 數字脈沖寬度調制器的實現： 實現數字脈沖寬度調制器的基本思想參看圖2。 圖中，在時鐘脈沖的作用下，循環(huán)計數器的5位輸出逐次增大。5位數字調制信號用一個寄存器來控制，不斷于循環(huán)計數器的輸出進行比較，當調制信號大于循環(huán)計數器的輸出時，比較器輸出高電平，否則輸出低電平。循環(huán)計數器循環(huán)一個周期后，向寄存器發(fā)出一個使能信號EN，寄存器送入下一組數據。在每一個計數器計數周期，由于輸入的調制信號的大小不同，比較器輸出端輸出的高電平個數不一樣，因而產生出占空比不同的脈沖寬度調制波。 圖

4、3 為了使矩形脈沖的中心近似在t=kTs處，計數器所產生的數字碼不是由小到大或由大到小順序變化，而是將數據分成偶數序列和奇數序列，在一個計數周期，偶數序列由小變大，直到最大值，然后變?yōu)閷ζ鏀敌蛄杏嫈?，變化為由大到小。如圖3例子。奇偶序列的產生方法是將計數器的最后一位作為比較數據的最低位，在一個計數周期內，前半個周期計數器輸出最低位為0，其他高位逐次增大，則產生的數據即為偶數序列；后半個周期輸出最低位為1，其余高位依次減小，產生的數據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模塊設計：應該稱為一個適合語音處理的PWM模塊，輸出引腳應該外接一積分電路。輸出波形的方式

5、適合作語音處理。設計精度為8位。PWM模塊應包括：1、 比較部分（Comp）：2、 計數部分（Counter）：3、 狀態(tài)及控制信號寄存/控制器（PWM_Ctrl）；1） 狀態(tài)積寄存器：（Flags），地址：E8H ；EN： PWM模塊啟動位，置位為1將使PWM模塊開始工作；（留空備用）解調速率標志位：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） 數據寄存器（DataStore），地址：F8H；注意：該寄存器值不可讀，只可寫。4、 端

6、口：1） 數據總線（DataBus）；（雙向）2） 地址總線（AddrBus）；（IN）3） PWM波輸出端口（PWMOut）；（OUT）4） 控制線： CLK：時鐘；（IN） Reset：異步復位信號；（IN 低電平有效） WR：寫PWM RAM信號；（IN 低電平有效）； RD：讀PWM RAM信號；（IN 低電平有效） DONE：接受完畢反饋信號；（OUT 高電平有效） INT：中斷申請信號；（OUT 低電平有效） IntResp：中斷響應信號；（In低電平有效） ByteBit：字節(jié)/位操作控制信號（IN 1-BYTE 0-BIT）； 中斷占用相當于MCU8051的外部中斷2，則可保證

7、在5個指令周期之內，“讀取數據”中斷必定得到響應。 PWM模塊使用方法：因為占用了8051外部中斷1，所以在不使用該模塊時，應該把外部中斷2屏蔽。而PWM模塊產生的中斷請求可以看作是“能接受數據”的信號。中斷方法如后“中斷讀取數據過程”。使用PWM模塊，應該先對內部地址8FH的數據寄存器寫入數據，然后設置地址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調制波（如TIMER模塊）。在輸出PWM調制波過程中，應及時對PWM寫入下一個調制數據，保證PWM連續(xù)工作，輸出波形連續(xù)。 （待改進）中斷讀取數據過程：1. PWM模塊可以讀取數據，申請中斷信號INT置位為0，等待8051

8、響應； 2. 8051接受到中斷申請后，作出中斷響應，置位IntResp信號線為0； 3. PWM模塊收到IntResp信號后，把中斷申請信號INT復位為1，等待8051 通知讀取數據WR信號； 4. 8051取出要求數據放于數據總線（DataBus）上，并置WR信號為0； 5. PWM模塊發(fā)現WR信號為0，由數據總線（DataBus）上讀取數據到內部數據寄存器，將DONE位置位為1； 6. 8051發(fā)現DONE信號的上跳變?yōu)?，釋放數據總線； 7. PWM模塊完成當前輸出周期，復位DONE為0，從此當前數據寄存器可以再次接受數據輸入。四、注意事項：1）輸出的PWM信號中的高電平部分必須處于一

9、個輸出周期的中間，不能偏離，否則輸出語音經過低通后必定是一失真嚴重的結果。2）對于8位精度的PWM，每個輸出周期占用256（28）個機器周期，但是包含256個機器周期至少有22個指令周期，亦即264（22*12）個機器周期，由于語音信號的連續(xù)性，256與264之間相差的8個機器周期是不能由之丟空的，否則也會使輸出信號失真。如果將須輸出數字量按256/264的比例放大輸出，亦不可行，因為如此非整數比例放大，放大倍數很小，則經過再量化后小數部分亦會被忽略掉，產生失真。舉例：輸出數字量為16，按比例放大后為16.5，更會產生難以取舍的問題。故采取以下辦法：該模塊以時鐘周期為標準，而與TMBus無關，即基本上與8051部分異步工作。讀取數據方式為每次讀取足夠數據段儲存于模塊內的RAM內（暫定每次讀取8字節(jié)），儲存字節(jié)數必須能保證PWM輸出該段數據過程中，有足夠時間從RAM處繼續(xù)讀取數據。由于占用了8051的外部中斷2，中斷申請在3個指