PWM应用设计参考

ylw527 2010-09-15

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PWM是一种模拟控制方式，能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：

* 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期
* 在PWM控制寄存器中设置接通时间
* 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚
* 启动定时器
* 使能PWM控制器
PWM模式可以分成快速PWM和频率（相位）调整PWM两大类。

1.快速PWM可以的到比较高频率的PWM输出，但占空比的调节精度稍微差一些。此时计数器仅工作在单程正向计数方式，计数器的上限值决定PWM的频率，而比较匹配寄存器的值决定了占空比的大小。PWM频率的计算公式为：

PWM频率 = 系统时钟频率/（分频系数*（1+计数器上限值））

2.快速PWM模式适合要求输出PWM频率较高，但频率固定，占空比调节精度要求不高的应用。

3.频率（相位）调整PWM模式的占空比调节精度高，但输出频率比较低，因为此时计数器仅工作在双向计数方式。同样计数器的上限值决定了PWM的频率，比较匹配寄存器的值决定了占空比的大小。PWM频率的计算公式为：

PWM频率 = 系统时钟频率/（分频系数*2*计数器上限值））

4.相位调整PWM模式适合要求输出PWM频率较低，但频率固定，占空比调节精度要求高的应用。当调整占空比时，PWM的相位也相应的跟着变化（Phase Correct）。

5.频率和相位调整PWM模式适合要求输出PWM频率较低，输出频率需要变化，占空比调节精度要求高的应用。此时应注意：不仅调整占空比时，PWM的相位会相应的跟着变化；而一但改变计数器上限值，即改变PWM的输出频率时，会使PWM的占空比和相位都相应的跟着变化（Phase and Frequency Correct）。

6.在PWM方式中，计数器的上限值有固定的0xFF（8位T/C）；0xFF、0x1FF、0x3FF（16位T/C）。或由用户设定的0x0000-0xFFFF，设定值在16位T/C的ICP或OCRA寄存器中。而比较匹配寄存器的值与计数器上限值之比即为占空比。

首先要定义两个变量:一个是叫周期T（调制频率的倒数）,另一外一个占空比D（接通时间与周期之比）.T的值要大于D,首先让I/O口输出高电平,让T,D同进计数,当D已经到了预计值的时候,则I/0变为低,然后低电平一直延续到T的值.当T的值到的时候,I/O口拉高.改变D,T的时间可以控制频率,改变D的值可以达到占空比的变化.这个思路很重要.这种算法要用到定时器,只要单片机时钟频率足够高,可以任意改变PWM的频率.

D=100,
T=1000;     \\duty=1/10;

INT_TIM0:
D++;
t++;
if (T=100) {P1^1=0;} //P1=1；P1为I/O
if (D=1000) {P1^1=1; //P1=0
            D=0;
            T=0;}
;exit
;----end----------

用到定时器,定时器按你的频率来赋值

　　下面给出一个设计示例，在示例中使用PWM方式来产生一个1KHz左右的正弦波，幅度为0-Vcc/2。

　　首先按照下面的公式建立一个正弦波样本表，样本表将一个正弦波周期分为128个点，每点按7位量化（127对应最高幅值Vcc/2）：

f(x) = 64 + 63 * sin(2πx/128) x∈[0…127]

　　如果在一个正弦波周期中采用128个样点，那么对应1KHz的正弦波PWM的频率为128KHz。实际上，按照采样频率至少为信号频率的2倍的取样定理来计算，PWM的频率的理论值为2KHz即可。考虑尽量提高PWM的输出精度，实际设计使用PWM的频率为16KHz(采样频率为信号频率的8倍)，即一个正弦波周期（1KHz）中输出16个正弦波样本值。这意味着在128点的正弦波样本表中，每隔8点取出一点作为PWM的输出。

假定系统时钟为16M，T/C采用系统时钟直接计数，那么它输出1个点的时间为256/16M，也就是PWM的周期是62500Hz。
按2个点的输出是一个信号周期，最高可以输出31250Hz的正弦波。不过从上面讨论，这个波形肯定不好。
如果按16点输出是一个信号周期，那么只能产生3906.05Hz的正弦波。

　　程序中使用ATmega128的8位T/C0(外部事件计数器)，工作模式为相位调整PWM模式输出，系统时钟为8MHz，分频系数为1，其可以产生最高PWM频率为： 8000000Hz / 510 = 15686Hz（相位PWM）。每16次输出构成一个周期正弦波，正弦波的频率为980.4Hz。PWM由OC0（PB4）引脚输出。参考程序如下（ICCAVR）。

//ICC-AVR application builder : 2004-08
// Target : M128
// Crystal: 8.0000Mhz

#include <iom128v.h>
#include <macros.h>

#pragma data:code //随后的数据存放在Flash区域

// 128点正弦波样本表 f(x) = 64 + 63 * sin(2πx/180) x∈[0…127]
const unsigned char auc_SinParam[128] = {
64,67,70,73,76,79,82,85,88,91,94,96,99,102,104,106,109,111,113,115,117,118,120,121,
123,124,125,126,126,127,127,127,127,127,127,127,126,126,125,124,123,121,120,118,
117,115,113,111,109,106,104,102,99,96,94,91,88,85,82,79,76,73,70,67,64,60,57,54,51,48,
45,42,39,36,33,31,28,25,23,21,18,16,14,12,10,9,7,6,4,3,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,2,3,4,6,
7,9,10,12,14,16,18,21,23,25,28,31,33,36,39,42,45,48,51,54,57,60}; // 128点正弦波样本值

#pragma data:data //随后数据放在RAM区

unsigned char x_SW = 8,X_LUT = 0;// x_SW作为步长取值

// T/C0 溢出中断服务

#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:17 //中断常量表位置
void timer0_ovf_isr(void)
{
   X_LUT += x_SW; // 新样点指针
   if (X_LUT > 127) X_LUT -= 128; // 样点指针调整
   OCR0 = auc_SinParam[X_LUT]; // 取样点指针到比较匹配寄存器

// OCR0+=1;
}
//T0的溢出中断事件TIM0_OVF
//128kHz->0.0078125ms->7.8125us
//16kHZ->0.125ms

void main(void)
{
   DDRB |= 0x10; // PB4输出方式，作为(OC0)输出PWM波
   TCCR0 = 0x71; // 相位调整PWM模式，分频系数=1，正向控制OC0
   TIMSK = 0x01; // T/C0溢出中断允许
   SEI(); // 使能全局中断 __enable_interrupt();
   while(1)
      {……};
}

/*

TCCR0
• Bit 7 – FOC0: 强制输出比较
FOC0仅在WGM指明非PWM模式时才有效。但是，为了保证与未来器件的兼容性，在使
用PWM 时，写TCCR0 要对其清零。对其写1 后，波形发生器将立即进行比较操作。比
较匹配输出引脚 OC0 将按照COM01:0 的设置输出相应的电平。要注意FOC0 仅仅是一
个启动信号，真正对强制输出比较起作用的是COM01:0 的设置。
OCFn
OCRn
TCNTn
OCRn Value
OCRn - 1 OCRn OCRn + 1 OCRn + 2
clkI/O
clkTn
(clkI/O/8)
OCFn
OCRn
TCNTn
(CTC)
TOP
TOP - 1 TOP BOTTOM BOTTOM + 1
clkI/O
clkTn
(clkI/O/8)
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
FOC0 WGM00 COM01 COM00 WGM01 CS02 CS01 CS00 TCCR0
读/ 写W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
初始值0 0 0 0

Cs2,Cs1,Cs0 =1,预分频系数为1

WGM01 WGM00=1 相位校正PWM模式

*/

　　每次计数器溢出中断的服务中取出一个正弦波的样点值到比较匹配寄存器中，用于调整下一个PWM的脉冲宽度，这样在PB4引脚上输出了按正弦波调制的PWM方波。当PB4的输出通过一个低通滤波器后，便得到一个980.4Hz的正弦波了。如要得到更精确的1KHz的正弦波，可使用定时/计数器T/C1，选择工作模式10，设置ICR1=250为计数器的上限值。

   1。调整PWM的占空比，合理的方法是改变比较匹配寄存器中（如OCR0）的设定值。
   2。调整PWM的频率，合理的方法是改变计数器的上限的设定值。
   3。改变这些值的时机通常在计数器溢出中断服务中。
   4。比较匹配寄存器中（如OCR0）的设定值与计数器的初值（0x00）相近时，可能会产生一次奇变的（第一个）PWM输出。
   5。你可以尝试使用VMLAB进行软件的仿真测试，观察PWM的输出（无需任何硬件），编写和调试你的PWM程序。