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脈寬調制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調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)。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。本文提出AVR單片機ATmega128的PWM的設計方法。 1.定時/計數器PWM設計要點 根據PWM的特點，在使用ATmega128的定時/計數器設計輸出PWM時應注意以下幾點： 1)首先應根據實際的情況，確定需要輸出的PWM頻率范圍，這個頻率與控制的對象有關。如輸出PWM波用于控制燈的亮度，由于人眼不能分辨42Hz以上的頻率，所以PWM的頻率應高于42Hz，否則人眼會察覺到燈的閃爍。 2)然后根據需要PWM的頻率范圍確定ATmega128定時/計數器的PWM工作方式。AVR定時/計數器的PWM模式可以分成快速PWM和頻率(或相位)調整PWM兩大類。 3)快速PWM可以的到比較高頻率的PWM輸出，但占空比的調節精度稍微差一些。此時計數器僅工作在單程正向計數方式，計數器的上限值決定PWM的頻率，而比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小。PWM頻率的計算公式為： PWM頻率 = 系統時鐘頻率/(分頻系數*(1+計數器上限值)) 4)快速PWM模式適合要求輸出PWM頻率較高，但頻率固定，占空比調節精度要求不高的應用。 5)頻率(相位)調整PWM模式的占空比調節精度高，但輸出頻率比較低，因為此時計數器僅工作在雙向計數方式。同樣計數器的上限值決定了PWM的頻率，比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小。PWM頻率的計算公式為： PWM頻率 = 系統時鐘頻率/(分頻系數*2*計數器上限值)) 6)相位調整PWM模式適合要求輸出PWM頻率較低，但頻率固定，占空比調節精度要求高的應用。當調整占空比時，PWM的相位也相應的跟著變化(Phase Correct)。 7)頻率和相位調整PWM模式適合要求輸出PWM頻率較低，輸出頻率需要變化，占空比調節精度要求高的應用。此時應注意：不僅調整占空比時，PWM的相位會相應的跟著變化;而一但改變計數器上限值，即改變PWM的輸出頻率時，會使PWM的占空比和相位都相應的跟著變化(Phase and Frequency Correct)。 8)在PWM方式中，計數器的上限值有固定的0xFF(8位T/C);0xFF、0x1FF、0x3FF(16位T/C)。或由用戶設定的0x0000-0xFFFF，設定值在16位T/C的ICP或OCRA寄存器中。而比較匹配寄存器的值與計數器上限值之比即為占空比。 2.PWM應用設計參考 下面給出一個設計示例，在示例中使用PWM方式來產生一個1KHz左右的正弦波，幅度為0-Vcc/2。 首先按照下面的公式建立一個正弦波樣本表，樣本表將一個正弦波周期分為128個點，每點按7位量化(127對應最高幅值Vcc/2)： f(x) = 64 + 63 * sin(2πx/180) x∈[0…127] 如果在一個正弦波周期中采用128個樣點，那么對應1KHz的正弦波PWM的頻率為128KHz。實際上，按照采樣頻率至少為信號頻率的2倍的取樣定理來計算，PWM的頻率的理論值為2KHz即可。考慮盡量提高PWM的輸出精度，實際設計使用PWM的頻率為16KHz，即一個正弦波周期(1KHz)中輸出16個正弦波樣本值。這意味著在128點的正弦波樣本表中，每隔8點取出一點作為PWM的輸出。 程序中使用ATmega128的8位T/C0，工作模式為相位調整PWM模式輸出，系統時鐘為8MHz，分頻系數為1，其可以產生最高PWM頻率為： 8000000Hz / 510 =15686Hz。 每16次輸出構成一個周期正弦波，正弦波的頻率為980.4Hz。PWM由OC0(PB4)引腳輸出。參考程序如下(ICCAVR)。 //ICC-AVR application builder : 2004-08 // Target : M128 // Crystal: 8.0000Mhz #include #include #pragma data:code // 128點正弦波樣本表 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}; #pragma data:data unsigned char x_SW = 8,X_LUT = 0; #pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:17 void timer0_ovf_isr(void) { X_LUT += x_SW; // 新樣點指針 if (X_LUT > 127) X_LUT -= 128; // 樣點指針調整 OCR0 = auc_SinParam[X_LUT]; // 取樣點指針到比較匹配寄存器 } void main(void) { DDRB |= 0x10; // PB4(OC0)輸出 TCCR0 = 0x71; // 相位調整PWM模式，分頻系數=1，正向控制OC0 TIMSK = 0x01; // T/C0溢出中斷允許 SEI(); // 使能全局中斷 while(1) {……}; } 每次計數器溢出中斷的服務中取出一個正弦波的樣點值到比較匹配寄存器中，用于調整下一個PWM的脈沖寬度，這樣在PB4引腳上輸出了按正弦波調制的PWM方波。當PB4的輸出通過一個低通濾波器后，便得到一個980.4Hz的正弦波了。如要得到更精確的1KHz的正弦波，可使用定時/計數器T/C1，選擇工作模式10，設置ICR1=250為計數器的上限值。 結束語： 本文以ATmega128為例介紹了AVR單片機的PWM設計方法。隨著電力電子技術,微電子技術和自動控制技術的發展PWM技術獲得了空前的發展，被廣泛應用在測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。 |
