原创 单片机驱动CPLD的PWM正弦信号发生器设计

本文将挖掘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(Pulse Width Modulation)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。

【分页导航】

第1页：PWM原理

第2页：基于CPLD的PWM方案

第3页：SPWM

第4页：三路精确相位差正弦信号发生器

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2 PWM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3 PWM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。 module Mini51b_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 input ALE,P27,WR;//几个MCU读写控制引脚 output PWM;//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 reg PWM;//输出锁存器 assign addr = ALE?P0 : addr; //低八位地址锁存 always @(negedge WR)//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 @(posedge ALE) 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(daPWMc<100) daPWMc <= daPWMc+1; //PWM调整精度1% else daPWMc <= 0; if(daPWMs < daPWMc) PWM <= 0;//PWM发生器 else PWM <= 1; end else divPWMc <= 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： #include #include #define PWM XBYTE[0xffe8] #define DIV XBYTE[0xffe9] void main() { 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

【分页导航】

第1页：PWM原理

第2页：基于CPLD的PWM方案

第3页：SPWM

第4页：三路精确相位差正弦信号发生器

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5 SPWM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： #include #include #define PWM XBYTE[0xffe8] unsigned char code sine_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 void main() { unsigned char i=0; while(1) { PWM = sine_dot; 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 }

【分页导航】

第1页：PWM原理

第2页：基于CPLD的PWM方案

第3页：SPWM

第4页：三路精确相位差正弦信号发生器

四、三路精确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。 例如设计具有精确相位差的三相正弦信号，CPLD电路VerilogHDL程序如下： module Mini51b_PWM(P0,ALE,P27,WR,PWM); input [7:0]P0; input ALE,P27,WR; output [2:0]PWM; wire [3:0]addr; reg [7:0]daPWMc; reg [7:0]daPWMs0,daPWMs1,daPWMs2; reg [2:0]PWM; wire clk,nclk,a,b,c,d; assign addr= (ALE)?P0[3:0]:addr; //低八位地址锁存 always @(negedge WR) 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 @(posedge clk) begin daPWMc <= daPWMc+1; //PWM调整精度1% if(daPWMs0 < daPWMc) PWM[0] <= 0;//PWM发生器 else PWM[0] <= 1; if(daPWMs1 < daPWMc) PWM[1] <= 0;//PWM发生器 else PWM[1] <= 1; if(daPWMs2 < daPWMc) PWM[2] <= 0;//PWM发生器 else PWM[2] <= 1; end assign nclk=!clk; LCELL A0(。in(nclk)， .out(a)); LCELL A1(。in(a)， .out(b)); LCELL A2(。in(b)， .out(c)); LCELL A3(。in(c)， .out(d)); LCELL A4(。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： #include #include #define PWM0 XBYTE[0xfff0] #define PWM1 XBYTE[0xfff1] #define PWM2 XBYTE[0xfff2] unsigned char code sine_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 }; void main() { unsigned char a,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; PWM2 = sine_dot[c]; a++; } } 实际得到的三相正弦信号示波器截图效果如图7所示，只是双踪示波器同时只能看两路信号。

图7 具有精确相位差的三相正弦信号示波器截图

五、结束语 今后，MCU+CPLD结构将是很多电子系统设计的一种基本架构，MCU可以用程序实现复杂智能的控制与检测，CPLD又可以实现灵活多变的外围扩展电路设计，尤其是可以用硬件实现特殊的MCU无法实现的功能，弥补MCU响应速度慢影响实时性问题，两者互补，完全实现硬件软设计，使得同一硬件平台能够通过软件实现更多的功能。

【分页导航】

第1页：PWM原理

第2页：基于CPLD的PWM方案

第3页：SPWM

第4页：三路精确相位差正弦信号发生器