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

一、PWM原理

PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(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載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。

只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

如圖1 所示，用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N 等分，看成N 個相連的脈沖序列，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PWM發(fā)生器必須包括計數(shù)器，數(shù)據(jù)比較器，另外就是配置PWM 參數(shù)的時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 來實現(xiàn)。

圖2 PWM控制器結(jié)構(gòu)框圖

高頻時鐘信號經(jīng)分頻器驅(qū)動計數(shù)器，計數(shù)器如圖3 所示，總是從Bottom 到Top 的循環(huán)計數(shù)，計數(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，當(dāng)計數(shù)器輸出小于占空比設(shè)定值時輸出低電平(0)，否則輸出高電平(1)，如圖3(b)(c)所示。

圖3 PWM信號發(fā)生器時序波形圖

從圖中還可以看出，計數(shù)器的周期就是PWM 信號的周期，通過修改占空比寄存器從而實現(xiàn)對輸出PWM 信號高低電平比例控制，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 信號示波器截圖如圖4所示。

圖4 不同占空比的PWM信號示波器截圖

三、SPWM

如果將占空比按正弦規(guī)律隨著時間變化，就可以得到正弦調(diào)制的PWM信號，也就是SPWM。如圖5 所示，該信號經(jīng)過阻容濾波可以得到正弦模擬信號，這里的運放做電壓跟隨器用，對信號驅(qū)動能力進行放大。實際得到的正弦信號示波器截圖效果如圖6 所示。

圖6 正弦信號示波器截圖

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

圖7 具有精確相位差的三相正弦信號示波器截圖

五、結(jié)束語

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