单片机驱动CPLD的PWM正弦信号发生器设计-设计应用

精品文档-下载后可编辑单片机驱动CPLD的PWM正弦信号发生器设计-设计应用前面几期给读者介绍了单片机+CPLD系统设计，本篇继续挖掘CPLD潜力，给出一种单片机驱动CPLD的PWM正弦信号发生器设计，充分体现了CPLD的灵活多变，配合单片机控制，其妙无穷，以下方案均在Mini51板上实现。

脉宽调制PWM（PulseWidthModulation）是利用数字输出信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

一、PWM原理

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。

如图1所示，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

图1用PWM波代替正弦半波

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

二、基于CPLD的PWM方案

一个PWM发生器必须包括计数器，数据比较器，另外就是配置PWM参数的时钟分频寄存器和占空比寄存器，结构框图如图2所示，这些电路都可以用CPLD来实现。

图2PWM控制器结构框图

高频时钟信号经分频器驱动计数器，计数器如图3所示，总是从Bottom到Top的循环计数，计数器的输出和占空比寄存器里的数据经数据比较器比较，输出PWM信号，当计数器输出小于占空比设定值时输出低电平（0），否则输出高电平（1），如图3（b）（c）所示。

图3PWM信号发生器时序波形图

从图中还可以看出，计数器的周期就是PWM信号的周期，通过修改占空比寄存器从而实现对输出PWM信号高低电平比例控制，图3（b）是占空比为P1的PWM输出，图3（c）是占空比为P2的PWM输出，它们周期相同，高低电平的比例不同。

下面用硬件描述语言来设计CPLD的内部电路，这里给出VerilogHDL版本的参考代码。

moduleMini51b_PWM（P0,ALE,P27,WR,PWM）；//模块电路命名和端口说明。

input[7:0]P0;//数据输入接MCU数据P0口

inputALE,P27,WR;//几个MCU读写控制引脚

outputPWM;//PWM信号输出

wire[7:0]addr;//内部地址线

reg[7:0]daPWMc,daPWMs;//定义计数器和占空比设定寄存器

reg[3:0]divPWM,divPWMc;//分频控制变量

regPWM;//输出锁存器

assignaddr=ALE?P0:addr;//低八位地址锁存

always@（negedgeWR）//在MCU写信号有效时执行寄存器设定

begin

case（{P27,addr[4:0]}）//根据地址选择寄存器

6'b10_1000:daPWMs=P0;//写带地址的寄存器

6'b10_1001:divPWM=P0[3:0];//写带地址的寄存器

default:begin//其它地址则让寄存器保持不变

daPWMs=daPWMs;

divPWM=divPWM;

end

endcase

end

always@（posedgeALE）begin//这里利用MCU的ALE做时钟信号

if（divPWMc==divPWM）begin//与分频系数比较

divPWMc=0;

if（daPWMc100）daPWMc=daPWMc+1;//PWM调整精度1%

elsedaPWMc=0;

if（daPWMsdaPWMc）PWM=0;//PWM发生器

elsePWM=1;

end

elsedivPWMc=divPWMc+1;//时钟分频

end

endmodule

关于单片机与CPLD之间的接口请读者参考本刊前几期笔者撰写的文章。

与之对应的MCU测试程序为：

#includereg51.h

#includeabsacc.h

#definePWMXBYTE[0xffe8]

#defineDIVXBYTE[0xffe9]

voidmain（）

{

DIV=15;//PWM信号频率计算晶振22.1184M/6/100/

（DIV+1）=2.30K（实测2.281K）

PWM=50;//设定占空比50%，前面计数器范围为0~99

while（1）;

}

执行单片机程序，选择不同的分频系数和占空比值，从CPLD的引脚输出PWM信号示波器截图如图4所示。

图4不同占空比的PWM信号示波器截图

三、SPWM

如果将占空比按正弦规律随着时间变化，就可以得到正弦调制的PWM信号，也就是SPWM。如图5所示，该信号经过阻容滤波可以得到正弦模拟信号，这里的运放做电压跟随器用，对信号驱动能力进行放大。实际得到的正弦信号示波器截图效果如图6所示。

图5SPWM阻容滤波电路

图6正弦信号示波器截图

正弦信号发生器MCU演示程序：

#includereg51.h

#includeabsacc.h

#definePWMXBYTE[0xffe8]

unsignedcharcodesine_dot[32]={49,59,68,77,84,90,95,98,99,98,95,90,84,77,68,59,49,40,30,22,14,8,4,1,0,1,4,8,14,22,30,40};//正弦表

voidmain（）

{

unsignedchari=0;

while（1）{

PWM=sine_dot[i];

i=（i++）0x1f;

}//如果要严格控制SPWM的周期，这里的while循环请用定时器来驱动

}

四、三路相位差正弦信号发生器

对CPLD改进设计，很容易实现多路PWM输出。

例如设计具有相位差的三相正弦信号，CPLD电路VerilogHDL程序如下：

moduleMini51b_PWM（P0,ALE,P27,WR,PWM）；

input[7:0]P0;

inputALE,P27,WR;

output[2:0]PWM;

wire[3:0]addr;

reg[7:0]daPWMc;

reg[7:0]daPWMs0,daPWMs1,daPWMs2;

reg[2:0]PWM;

wireclk,nclk,a,b,c,d;

assignaddr=（ALE）？P0[3:0]:addr;//低八位地址锁存

always@（negedgeWR）

begin

case（{P27,addr}）

5'H10:daPWMs0=P0;//写带地址的寄存器

5'H11:daPWMs1=P0;//写带地址的寄存器

5'H12:daPWMs2=P0;//写带地址的寄存器

default:

begin

daPWMs0=daPWMs0;

daPWMs1=daPWMs1;

daPWMs2=daPWMs2;

end

endcase

end

always@（posedgeclk）begin

daPWMc=daPWMc+1;//PWM调整精度1%

if（daPWMs0daPWMc）PWM[0]=0;//PWM发生器

elsePWM[0]=1;

if（daPWMs1daPWMc）PWM[1]=0;//PWM发生器

elsePWM[1]=1;

if（daPWMs2daPWMc）PWM[2]=0;//PWM发生器

elsePWM[2]=1;

end

assignnclk=!clk;

LCELLA0（。in（nclk），.out（a））；

LCELLA1（。in（a），.out（b））；

LCELLA2（。in（b），.out（c））；

LCELLA3（。in（c），.out（d））；

LCELLA4（。in（d），.out（clk））；//PWM时钟来自CPLD内部

LCELL延迟电路振荡器

endmodule

与之对应的MCU演示程序：

#includereg51.h

#includeabsacc.h

#definePWM0XBYTE[0xfff0]

#definePWM1XBYTE[0xfff1]

#definePWM2XBYTE[0xfff2]

unsignedcharcodesine_dot[36]=//8阶，36点正弦表

{

0x80,0x96,0xab,0xbf,0xd2,0xe2,0xee,0xf8,0xfe,0xff,0xfe,0xf8,

0xee,0xe2,0xd2,0xc0,0xab,0x96,0x80,0x69,0x54,0x40,0x2

d,0x1e,

0x11,0x07,0x01,0x00,0x01,0x07,0x10,0x1d,0x2d,0x3f,0x53,

0x69

};

voidmain（）

{

unsignedchara,b,c;

a=0;

while（1）{

a%=36;//对36取余数及0~35

b=（a+12）%36;//较a路滞后120度相位

c=（a+24）%36;//较a路滞后240度相位

PWM0=sine_dot[a];

PWM1=sine_dot[b];

PWM2=sine_dot[c];

a++;