基于數(shù)字電路的實驗脈沖寬度調(diào)制

我們還是先從脈沖寬度調(diào)制的基礎(chǔ)說起。脈沖寬度調(diào)制，英文縮寫為：PWM（Pulse Width Modulation），是通過數(shù)字信號實現(xiàn)對模擬電路控制的一種非常有效的技術(shù)，常被廣泛應(yīng)用于測量、通信、功率控制與變換等眾多領(lǐng)域。

那么PWM是如何工作的？

我們知道，數(shù)字電路只能產(chǎn)生高電平（1）或低電平（0），在小腳丫上也就意味著3.3V和0V。那么如果我們的應(yīng)用恰好在這之間怎么辦？比如，將3.3V直接連到LED上會導(dǎo)致LED燈很亮。如何將LED燈調(diào)暗呢？當(dāng)然，最簡單的辦法就是直接串聯(lián)一個限流電阻但這樣一來，限流電阻就需要不斷產(chǎn)生功耗，而這個功耗實際上是完全浪費掉的。

無非就是調(diào)節(jié)LED的亮度而已，難道就沒有其他更好的辦法了嗎？當(dāng)然有，用我們今天學(xué)習(xí)的PWM就可以輕松實現(xiàn)。在進一步探討點亮LED之前，我們先通過圖1了解一些基本的參數(shù)：

圖1

圖1中，脈沖信號的周期為T，高電平寬度為t。如果我們將t/T定義為占空比，占空比就是2/3，因為高電平的寬度占了整個周期的2/3。在圖1中我們還可以看到一條紅色虛線，畫在了脈沖高度2/3的位置。這條虛線實際上就對應(yīng)著最終的有效值。那么如何在FPGA上生成PWM信號呢？

我們還是習(xí)慣看圖說話，請看圖2。假如我們有一個鋸齒波，然后在鋸齒波上設(shè)置一個閾值（黑色水平虛線），凡是大于該閾值時輸出均為高電平，反之則為低電平，這樣我們是不是就得到一個PWM信號呢？如果我們想調(diào)整它的占空比，那么調(diào)節(jié)閾值的高低就可以了。在本例中，閾值線越低占空比越高。

圖2

如果把上面的描述再抽象化一下，就可以畫出圖3的模塊框圖。鋸齒波實際上就可以用計數(shù)器生成，閾值就是一個數(shù)值而已，比較器是用來生成最后輸出高低電平用的。

圖3

有了設(shè)計思路之后，我們來看一下最終代碼。

module pwm （PWM_out， clk， reset）; input clk， reset; output reg PWM_out; wire ［7:0］ counter_out; //計數(shù)器的8位寬儲存，可以最多數(shù)128次時鐘的嘀嗒 parameter PWM_ontime = 32; //閾值設(shè)在32，對應(yīng)25%的占空比 always @ （posedge clk） begin //比較器 if （PWM_ontime 》 counter_out） PWM_out 《= 0; else PWM_out 《= 1; end counter counter_inst（ //調(diào)用計數(shù)器 .clk （clk）， .counter_out （counter_out）， .reset（reset） ）;endmodule

module counter（counter_out，clk，reset）; //計數(shù)器模塊代碼 output ［7:0］ counter_out; input clk， reset; reg ［7:0］ counter_out; always @（posedge clk） if （reset） //如果沒有按reset，則計數(shù)器清零 counter_out 《= 8‘b0; else //如果按下reset，則計數(shù)器開始計數(shù) counter_out 《= counter_out + 1;endmodule

在代碼中，我們設(shè)置的計數(shù)器位寬是8位，也就是每128次后自動重新計數(shù)。所以，該計數(shù)器的最大頻率也就是12MHz/128=93.75KHz。圖3中可以看出，PWM信號的頻率和計數(shù)器的頻率相同，因此也是93.78KHz。

試想一下，LED現(xiàn)在正以超過每秒9萬次的速度閃爍，肉眼是完全分辨不出來的。那么閃爍過程中，亮/滅的比值越大，LED的視覺發(fā)光效果就越強，反之則越弱。我們最后將上述程序?qū)胄∧_丫中，并通過調(diào)節(jié)閾值來觀察小腳丫上的LED發(fā)光強度的變化。
編輯：lyn