脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)是利用數(shù)字輸出信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

一、PWM原理

PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM 信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON) 或斷(OFF) 的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。

只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

如圖1 所示，用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N 等分，看成N 個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等;用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積(沖量)相等，寬度按正弦規(guī)律變化。

圖1 用PWM波代替正弦半波

SPWM 波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM 波形。

二、基于CPLD的PWM方案

一個(gè)PWM發(fā)生器必須包括計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)比較器，另外就是配置PWM 參數(shù)的時(shí)鐘分頻寄存器和占空比寄存器，結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，這些電路都可以用CPLD 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 PWM控制器結(jié)構(gòu)框圖

高頻時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)分頻器驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器如圖3 所示，總是從Bottom 到Top 的循環(huán)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出和占空比寄存器里的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)比較器比較，輸出PWM 信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出小于占空比設(shè)定值時(shí)輸出低電平(0)，否則輸出高電平(1)，如圖3(b)(c)所示。

圖3 PWM信號(hào)發(fā)生器時(shí)序波形圖

從圖中還可以看出，計(jì)數(shù)器的周期就是PWM 信號(hào)的周期，通過(guò)修改占空比寄存器從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出PWM 信號(hào)高低電平比例控制，圖3(b)是占空比為P1 的PWM輸出，圖3(c)是占空比為P2 的PWM 輸出，它們周期相同，高低電平的比例不同。

執(zhí)行單片機(jī)程序，選擇不同的分頻系數(shù)和占空比值，從CPLD 的引腳輸出PWM 信號(hào)示波器截圖如圖4所示。

圖4 不同占空比的PWM信號(hào)示波器截圖

三、SPWM

如果將占空比按正弦規(guī)律隨著時(shí)間變化，就可以得到正弦調(diào)制的PWM信號(hào)，也就是SPWM。如圖5 所示，該信號(hào)經(jīng)過(guò)阻容濾波可以得到正弦模擬信號(hào)，這里的運(yùn)放做電壓跟隨器用，對(duì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行放大。實(shí)際得到的正弦信號(hào)示波器截圖效果如圖6 所示。

圖6 正弦信號(hào)示波器截圖

實(shí)際得到的三相正弦信號(hào)示波器截圖效果如圖7所示，只是雙蹤示波器同時(shí)只能看兩路信號(hào)。

圖7 具有精確相位差的三相正弦信號(hào)示波器截圖

五、結(jié)束語(yǔ)

今后，MCU+CPLD結(jié)構(gòu)將是很多電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種基本架構(gòu)，MCU 可以用程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜智能的控制與檢測(cè)，CPLD又可以實(shí)現(xiàn)靈活多變的外圍擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，尤其是可以用硬件實(shí)現(xiàn)特殊的MCU無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，彌補(bǔ)MCU響應(yīng)速度慢影響實(shí)時(shí)性問(wèn)題，兩者互補(bǔ)，完全實(shí)現(xiàn)硬件軟設(shè)計(jì)，使得同一硬件平臺(tái)能夠通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)更多的功能。