数字脉冲宽度调制器的实现
数字脉冲宽度调制器的实现
脉冲宽度控制pwm的工作原理
实现数字脉冲宽度调制器的基本思想参看图2。
图中，在时钟脉冲的作用下，循环计数器的5位输出逐次增大。5位数字调制信号用一个寄存器来控制，不断于循环计数器的输出进行比较，当调制信号大于循环计数器的输出时，比较器输出高电平，否则输出低电平。循环计数器循环一个周期后，向寄存器发出一个使能信号en，寄存器送入下一组数据。在每一个计数器计数周期，由于输入的调制信号的大小不同，比较器输出端输出的高电平个数不一样，因而产生出占空比不同的脉冲宽度调制波。
图3
为了使矩形脉冲的中心近似在t=kts处，计数器所产生的数字码不是由小到大或由大到小顺序变化，而是将数据分成偶数序列和奇数序列，在一个计数周期，偶数序列由小变大，直到最大值，然后变为对奇数序列计数，变化为由大到小。如图3例子。
奇偶序列的产生方法是将计数器的最后一位作为比较数据的最低位，在一个计数周期内，前半个周期计数器输出最低位为0，其他高位逐次增大，则产生的数据即为偶数序列；后半个周期输出最低位为1，其余高位依次减小，产生的数据为依次减小的偶序列。具体电路可以由以下电路图表示：
三、8051中的pwm模块设计：
应该称为一个适合语音处理的pwm模块，输出引脚应该外接一积分电路。输出波形的方式适合作语音处理。设计精度为8位。
pwm模块应包括：
1、比较部分（comp）：
2、计数部分（counter）：
3、状态及控制信号寄存/控制器（pwm_ctrl）；
1）状态积寄存器：（flags），地址：e8h ；
①en：pwm模块启动位，置位为‘1’将使pwm模块开始工作；
②（留空备用）
③④解调速率标志位：00 – 无分频；01 – 2分频；10 – 10分频；11 – 16分频。 （reset后为00）
⑤（留空备用）
⑥（留空备用）
⑦（留空备用）
⑧（留空备用）
注意：该寄存器可以位操作情况下可写，不可读；只能在字节操作方式下读取。
2）数据寄存器（datastore），地址：f8h；
注意：该寄存器值不可读，只可写。
4、端口：
1）数据总线（databus）；（双向）
2）地址总线（addrbus）；（in）
3）pwm波输出端口（pwmout）；（out）
4）控制线：
① clk：时钟；（in）
② reset：异步复位信号；（in 低电平有效）
③ wr：写pwm ram信号；（in 低电平有效）；
④ rd：读pwm ram信号；（in 低电平有效）
⑤ done：接受完毕反馈信号；（out 高电平有效）
⑥ int：中断申请信号；（out 低电平有效）
⑦ intresp：中断响应信号；（in低电平有效）
⑧ bytebit：字节/位操作控制信号（in 1-byte 0-bit）；
⑨⑩
中断占用相当于mcu8051的外部中断2，则可保证在5个指令周期之内，“读取数据”中断必定得到响应。
pwm模块使用方法：因为占用了8051外部中断1，所以在不使用该模块时，应该把外部中断2屏蔽。而pwm模块产生的中断请求可以看作是“能接受数据”的信号。中断方法如后“中断读取数据过程”。使用pwm模块，应该先对内部地址8fh的数据寄存器写入数据，然后设置地址8eh的状态寄存器最低位（0）为‘1’，即pwm模块开始工作并输出pwm调制波（如timer模块）。在输出pwm调制波过程中，应及时对pwm写入下一个调制数据，保证pwm连续工作，输出波形连续。 （待改进）
中断读取数据过程：
pwm模块可以读取数据，申请中断信号int置位为‘0’，等待8051响应； 8051接受到中断申请后，作出中断响应，置位intresp信号线为‘0’； pwm模块收到intresp信号后，把中断申请信号int复位为‘1’，等待8051通知读取数据wr信号； 8051取出要求数据放于数据总线（databus）上，并置wr信号为‘0’； pwm模块发现wr信号为‘0’，由数据总线（databus）上读取数据到内部数据寄存器，将done位置位为‘1’； 8051发现done信号的上跳变为‘1’，释放数据总线； pwm模块完成当前输出周期，复位done为‘0’，从此当前数据寄存器可以再次接受数据输入。 注意事项：
1）输出的pwm信号中的高电平部分必须处于一个输出周期的中间，不能偏离，否则输出语音经过低通后必定是一失真严重的结果。
2）对于8位精度的pwm，每个输出周期占用256（28）个机器周期，但是包含256个机器周期至少有22个指令周期，亦即264（22*12）个机器周期，由于语音信号的连续性，256与264之间相差的8个机器周期是不能由之丢空的，否则也会使输出信号失真。如果将须输出数字量按256/264的比例放大输出，亦不可行，因为如此非整数比例放大，放大倍数很小，则经过再量化后小数部分亦会被忽略掉，产生失真。举例：输出数字量为16，按比例放大后为16.5，更会产生难以取舍的问题。
故采取以下办法：该模块以时钟周期为标准，而与tmbus无关，即基本上与8051部分异步工作。读取数据方式为每次读取足够数据段储存于模块内的ram内（暂定每次读取8字节），储存字节数必须能保证pwm输出该段数据过程中，有足够时间从ram处继续读取数据。由于占用了8051的外部中断2，中断申请在3个指令周期（36个时钟周期）内必定能得到响应，而pwm模块处理一个数据需要固定耗时256个时钟周期，故能保证pwm模块顺序读取数据中断能及时得到响应，不会影响调制信号的连续性。
3）rd ram过程是异步过程。
4）输出后数据寄存器不自动清零。因为可以通过把flags(0)写‘0’而停止pwm模块继续工作。
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图3
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奇偶序列的产生方法是将计数器的最后一位作为比较数据的最低位，在一个计数周期内，前半个周期计数器输出最低位为0，其他高位逐次增大，则产生的数据即为偶数序列；后半个周期输出最低位为1，其余高位依次减小，产生的数据为依次减小的偶序列。具体电路可以由以下电路图表示：
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1、比较部分（comp）：
2、计数部分（counter）：
3、状态及控制信号寄存/控制器（pwm_ctrl）；
1）状态积寄存器：（flags），地址：e8h ；
①en：pwm模块启动位，置位为‘1’将使pwm模块开始工作；
②（留空备用）
③④解调速率标志位：00 – 无分频；01 – 2分频；10 – 10分频；11 – 16分频。 （reset后为00）
⑤（留空备用）
⑥（留空备用）
⑦（留空备用）
⑧（留空备用）
注意：该寄存器可以位操作情况下可写，不可读；只能在字节操作方式下读取。
2）数据寄存器（datastore），地址：f8h；
注意：该寄存器值不可读，只可写。
4、端口：
1）数据总线（databus）；（双向）
2）地址总线（addrbus）；（in）
3）pwm波输出端口（pwmout）；（out）
4）控制线：
① clk：时钟；（in）
② reset：异步复位信号；（in 低电平有效）
③ wr：写pwm ram信号；（in 低电平有效）；
④ rd：读pwm ram信号；（in 低电平有效）
⑤ done：接受完毕反馈信号；（out 高电平有效）
⑥ int：中断申请信号；（out 低电平有效）
⑦ intresp：中断响应信号；（in低电平有效）
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