射頻CMOS電路分析與設(shè)計(jì)院部：信息工程學(xué)院班級(jí)：13電子信息工程姓名：方賢超學(xué)號(hào)：21306021009PWM(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PulseWidthModulation〕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)比擬器和一個(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)，比擬器輸出正常數(shù)A，否那么輸出0。因此，從圖1中可以看出，比擬器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。

通過(guò)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tk時(shí)的語(yǔ)音信號(hào)幅度值。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-kTs<<Ts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，x{t}是離散化的語(yǔ)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=kTs處，在相鄰脈沖間變化緩慢，那么脈沖寬度調(diào)制波xp(t)可以表示為：

〔2〕

其中，。無(wú)需作頻譜分析，由式〔2〕可以看出脈沖寬度信號(hào)由語(yǔ)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)制局部引起的信號(hào)交迭可以忽略，因此，脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過(guò)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)制器的根本思想?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)存放器來(lái)控制，不斷于循環(huán)計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行比擬，當(dāng)調(diào)制信號(hào)大于循環(huán)計(jì)數(shù)器的輸出時(shí)，比擬器輸出高電平，否那么輸出低電平。循環(huán)計(jì)數(shù)器循環(huán)一個(gè)周期后，向存放器發(fā)出一個(gè)使能信號(hào)EN，存放器送入下一組數(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，比擬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擬數(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，那么產(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(chēng)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、比擬局部〔Comp〕：

2、計(jì)數(shù)局部〔Counter〕：

3、狀態(tài)及控制信號(hào)存放/控制器〔PWM_Ctrl〕；

1〕狀態(tài)積存放器：〔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：該存放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)存放器〔DataStore〕，地址：F8H；

注意：該存放器值不可讀，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：

①CLK：時(shí)鐘；〔IN〕

②Reset：異步復(fù)位信號(hào)；〔IN低電平有效〕

③WR：寫(xiě)PWMRAM信號(hào)；〔IN低電平有效〕；

④RD：讀PWMRAM信號(hào)；〔IN低電平有效〕

⑤DONE：接受完畢反應(yīng)信號(hào)；〔OUT高電平有效〕

⑥INT：中斷申請(qǐng)信號(hào)；〔OUT低電平有效〕

⑦IntResp：中斷響應(yīng)信號(hào)；〔In低電平有效〕

⑧ByteBit：字節(jié)/位操作控制信號(hào)〔IN1-BYTE0-BIT〕；

⑨⑩

中斷占用相當(dāng)于MCU8051的外部中斷2，那么可保證在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)存放器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，然后設(shè)置地址8EH的狀態(tài)存放器最低位〔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)。〔待改良〕中斷讀取數(shù)據(jù)過(guò)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IntResp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)存放器，將DONE位置位為‘1’；6.8051發(fā)現(xiàn)DONE信號(hào)的上跳變?yōu)椤?’，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)存放器可以再次接受數(shù)據(jù)輸入。四、考前須知：1〕輸出的PWM信號(hào)中的高電平局部必須處于一個(gè)輸出周期的中間，不能偏離，否那么輸出語(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，否那么也會(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，那么經(jīng)過(guò)再量化后小數(shù)局部亦會(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。

故采取以下方法：該模塊以時(shí)鐘周期為標(biāo)準(zhǔn)，而與TMBus無(wú)關(guān)，即根本上與8051局部異步工作。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