PWM的原理是什么？調(diào)制器是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

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T(mén)s的鋸齒波發(fā)生器組成。語(yǔ)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。

其中，x{t}是離散化的語(yǔ)音信號(hào)；Ts是采樣周期；p（t）可以表示為：

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(lái)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。

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(yǔ)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(yǔ)音處理。設(shè)計(jì)精度為8位。PWM模塊應(yīng)包括：1、 比較部分（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 ；①EN： PWM模塊啟動(dòng)位，置位為‘1’將使PWM模塊開(kāi)始工作；②（留空備用）③④解調(diào)速率標(biāo)志位：00 – 無(wú)分頻；01 – 2分頻；10 – 10分頻；11 – 16分頻。 （RESET后為00）⑤（留空備用）⑥（留空備用）⑦（留空備用）⑧（留空備用）注意：該寄存器可以位操作情況下可寫(xiě)，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(xiě)。

4、 端口：1） 數(shù)據(jù)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：① CLK：時(shí)鐘；（IN）② Reset：異步復(fù)位信號(hào)；（IN 低電平有效）③ WR：寫(xiě)PWM RAM信號(hào)；（IN 低電平有效）； ④ RD：讀PWM RAM信號(hào)；（IN 低電平有效）⑤ DONE：接受完畢反饋信號(hào)；（OUT 高電平有效）⑥ INT：中斷申請(qǐng)信號(hào)；（OUT 低電平有效）⑦ IntResp：中斷響應(yīng)信號(hào)；（In低電平有效）⑧ ByteBit：字節(jié)/位操作控制信號(hào)（IN 1-BYTE 0-BIT）；⑨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(guò)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(xiě)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(kāi)始工作并輸出PWM調(diào)制波（如TIMER模塊）。在輸出PWM調(diào)制波過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)PWM寫(xiě)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(guò)程：

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)；

8051接受到中斷申請(qǐng)后，作出中斷響應(yīng)，置位IntResp信號(hào)線為‘0’；

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)；

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’；

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’；

8051發(fā)現(xiàn)DONE信號(hào)的上跳變?yōu)椤?’，釋放數(shù)據(jù)總線；

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(yǔ)音經(jīng)過(guò)低通后必定是一失真嚴(yán)重的結(jié)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(yǔ)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(guò)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(wèn)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(wú)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(guò)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）內(nèi)必定能得到響應(yīng)，而PWM模塊處理一個(gè)數(shù)據(jù)需要固定耗時(shí)256個(gè)時(shí)鐘周期，故能保證PWM模塊順序讀取數(shù)據(jù)中斷能及時(shí)得到響應(yīng)，不會(huì)影響調(diào)制信號(hào)的連續(xù)性。

3）RD RAM過(guò)程是異步過(guò)程。

4）輸出后數(shù)據(jù)寄存器不自動(dòng)清零。因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)把Flags（0）寫(xiě)‘0’而停止PWM模塊繼續(xù)工作。

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