PWM （脈沖寬度調制）原理與實現

一、 PWM(脈沖寬度調制Pulse Width Modulation)原理：

脈沖寬度調制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。圖1所示為脈沖寬度調制系統的原理框圖和波形圖。該系統有一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數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制的脈沖寬度調制波。

二、 數字脈沖寬度調制器的實現：

實現數字脈沖寬度調制器的基本思想參看圖2。

圖中，在時鐘脈沖的作用下，循環計數器的5位輸出逐次增大。5位數字調制信號用一個寄存器來控制，不斷于循環計數器的輸出進行比較，當調制信號大于循環計數器的輸出時，比較器輸出高電平，否則輸出低電平。循環計數器循環一個周期后，向寄存器發出一個使能信號EN，寄存器送入下一組數據。在每一個計數器計數周期，由于輸入的調制信號的大小不同，比較器輸出端輸出的高電平個數不一樣，因而產生出占空比不同的脈沖寬度調制波。

圖3

為了使矩形脈沖的中心近似在t=kTs處，計數器所產生的數字碼不是由小到大或由大到小順序變化，而是將數據分成偶數序列和奇數序列，在一個計數周期，偶數序列由小變大，直到最大值，然后變為對奇數序列計數，變化為由大到小。如圖3例子。

奇偶序列的產生方法是將計數器的最后一位作為比較數據的最低位，在一個計數周期內，前半個周期計數器輸出最低位為0，其他高位逐次增大，則產生的數據即為偶數序列;后半個周期輸出最低位為1，其余高位依次減小，產生的數據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模塊設計：

應該稱為一個適合語音處理的PWM模塊，輸出引腳應該外接一積分電路。輸出波形的方式適合作語音處理。設計精度為8位。

PWM模塊應包括：

1、 比較部分(Comp)：

2、 計數部分(Counter)：

3、 狀態及控制信號寄存/控制器(PWM_Ctrl);

1) 狀態積寄存器：(Flags)，地址：E8H ;

①EN： PWM模塊啟動位，置位為‘1’將使PWM模塊開始工作;

②(留空備用)

③④解調速率標志位：00 – 無分頻;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，不可讀;只能在字節操作方式下讀取。

2) 數據寄存器(DataStore)，地址：F8H;

注意：該寄存器值不可讀，只可寫。

4、 端口：

1) 數據總線(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：時鐘;(IN)

② Reset：異步復位信號;(IN 低電平有效)

③ WR：寫PWM RAM信號;(IN 低電平有效);

④ RD：讀PWM RAM信號;(IN 低電平有效)

⑤ DONE：接受完畢反饋信號;(OUT 高電平有效)

⑥ INT：中斷申請信號;(OUT 低電平有效)

⑦ IntResp：中斷響應信號;(In低電平有效)

⑧ ByteBit：字節/位操作控制信號(IN 1-BYTE 0-BIT);

⑨⑩

中斷占用相當于MCU8051的外部中斷2，則可保證在5個指令周期之內，“讀取數據”中斷必定得到響應。

PWM模塊使用方法：因為占用了8051外部中斷1，所以在不使用該模塊時，應該把外部中斷2屏蔽。而PWM模塊產生的中斷請求可以看作是“能接受數據”的信號。中斷方法如后“中斷讀取數據過程”。使用PWM模塊，應該先對內部地址8FH的數據寄存器寫入數據，然后設置地址8EH的狀態寄存器最低位(0)為‘1’，即PWM模塊開始工作并輸出PWM調制波(如TIMER模塊)。在輸出PWM調制波過程中，應及時對PWM寫入下一個調制數據，保證PWM連續工作，輸出波形連續。 (待改進)

中斷讀取數據過程：

PWM模塊可以讀取數據，申請中斷信號INT置位為‘0’，等待8051響應;

8051接受到中斷申請后，作出中斷響應，置位IntResp信號線為‘0’;

PWM模塊收到IntResp信號后，把中斷申請信號INT復位為‘1’，等待8051通知讀取數據WR信號;

8051取出要求數據放于數據總線(DataBus)上，并置WR信號為‘0’;

PWM模塊發現WR信號為‘0’，由數據總線(DataBus)上讀取數據到內部數據寄存器，將DONE位置位為‘1’;

8051發現DONE信號的上跳變為‘1’，釋放數據總線;

PWM模塊完成當前輸出周期，復位DONE為‘0’，從此當前數據寄存器可以再次接受數據輸入。

注意事項：

1)輸出的PWM信號中的高電平部分必須處于一個輸出周期的中間，不能偏離，否則輸出語音經過低通后必定是一失真嚴重的結果。

2)對于8位精度的PWM，每個輸出周期占用256(28)個機器周期，但是包含256個機器周期至少有22個指令周期，亦即264(22*12)個機器周期，由于語音信號的連續性，256與264之間相差的8個機器周期是不能由之丟空的，否則也會使輸出信號失真。如果將須輸出數字量按256/264的比例放大輸出，亦不可行，因為如此非整數比例放大，放大倍數很小，則經過再量化后小數部分亦會被忽略掉，產生失真。舉例：輸出數字量為16，按比例放大后為16.5，更會產生難以取舍的問題。

故采取以下辦法：該模塊以時鐘周期為標準，而與TMBus無關，即基本上與8051部分異步工作。讀取數據方式為每次讀取足夠數據段儲存于模塊內的RAM內(暫定每次讀取8字節)，儲存字節數必須能保證PWM輸出該段數據過程中，有足夠時間從RAM處繼續讀取數據。由于占用了8051的外部中斷2，中斷申請在3個指令周期(36個時鐘周期)內必定能得到響應，而PWM模塊處理一個數據需要固定耗時256個時鐘周期，故能保證PWM模塊順序讀取數據中斷能及時得到響應，不會影響調制信號的連續性。

3)RD RAM過程是異步過程。

4)輸出后數據寄存器不自動清零。因為可以通過把Flags(0)寫‘0’而停止PWM模塊繼續工作。