脉冲宽度调制（PWM）

脉冲宽度调变（Pulse Width Modulation；PWM）允许处理器的数字输出信号控制或驱动模拟电路，可应用于测量、通信、功率控制、信号转换等。

模拟电路
        一个模拟信号具有连续变化的值，它的最小时间和最小振幅是无限的（亦即，解析度是无限小的）。一个9伏特的电池是一种模拟装置，它的输出电压不一定都是9V，而是会随着时间变化的，它的值可能是任何的实数值。同理，从电池中流出的电流量不是限定在一定范围里的可能值。模拟信号与数字信号的区别是很清楚的，因为数字信号总是从「预先决定的（predetermined）」有限的可能值之集合中选出一个值来，例如：{0V, 5V}集合。
        模拟电压和电流可以直接用来控制装置，譬如：汽车音响的声音。在一台简单的模拟收音机中，频率选择钮是连接到一个可变电阻上。当旋转选择钮时，电阻值会上升或下降，因此电阻电流也会增加或降低，而驱动扬声器的电流量也会改变，最后使它的声音增加或降低。一个模拟电路就像收音机一样，它的输出值和它的输入值是呈线性的正比关系。
        直觉上，我们知道模拟控制并不经济，有时也不实用。模拟电路的电压或电流常会随着时间飘移，所以很难微调。可以解决这种问题的精准的模拟电路之体积可能非常大、非常重，而且很贵—旧型的立体音响就是属于这一类型。模拟电路也很耗电，很容易发热。模拟电路对噪音效应也很敏感。由于它具有无限小的解析度，所以在模拟电路中的任何扰动或噪音必然会改变它的电流值。

数字控制
        以数字信号来控制模拟电路，可以使系统成本和功率损耗大幅地减少。而且，由于多数的微控制器和DSP已经内建了PWM控制器，因此很容易实现。简言之，PWM是一种能将模拟信号准位编成数字码的技术。透过高解析度的计数器，将一个方波的工作周期调变，藉此，将特定的模拟信号准位编码。PWM信号仍然是数字的，因为在任何时候，直流供电不是开启的就是关闭的。藉由连续的开启和关闭脉冲，将电压或电流供应给类比负载。在负载上有直流供电时称为「开启时间（on-time）」，没有时称为「关闭时间（off-time）」。假设频宽足够，任何一个类比值都可以利用PWM来编码。


大多数的负载、电感和电容需要比10Hz还要高很多的调变频率。如果增加开关开启和关闭的时间各成为5秒，则工作周期仍然是50%，但是在灯泡开启时，它的亮度会增加。为了让灯泡只能得到4.5V，工作週期时间必须小于负载对开关切换的反应时间。为了得到微光（dimmer）的效果，必须增加调变的频率大小。上述原理也适用于其它的PWM应用。一般的调变频率范围是从1 kHz至200 kHz。


虽然不同的PWM控制器具有不同的编程功能和技术细节，但是大体而言，它们的基本原理是相同的。

通信和控制
PWM的一个优点是：从处理器到控制器的信号都是数位的；因此，不需要数字模拟转换（DAC）。由于信号都是数字的，所以噪音效应可以降低。噪音只有在唯一一种情况下才会影响数字信号：噪音强度大到足以将逻辑1改变成逻辑0，反之亦然。 利用PWM信号来控制模拟电路的另一个好处是它可以增加抗噪音的能力，这也是为何有时可以使用PWM来通信的主要原因。从一个模拟信号切换至PWM可以大幅增加通信通道的长度。一个适当的RC或LC网路能移除调变的高频方波，并将信号还原成类比形式。

PWM的应用
PWM的应用非常多，一个具体的例子是：利用PWM来控制剎车器（brake）。简言之，剎车器就是将车轴仅仅夹住。在许多剎车器中，抓力或制动力的大小是由一个类比输入信号控制。施加在剎车器上的电压或电流越大，抓力就越大。
PWM控制器的输出可以连接至一个开关，此开关位于电源和剎车器之间。为了产生更多的制动力，软件只需要增加PWM输出的工作周期。如果需要特定的剎车力量，就必须求出工作周期和剎车力量之间的数学关系。求得的公式或查看表（lookup table）需要依照工作温度、剎车器的磨损情况…等因素做微调。若要将压力施加在剎车器上，譬如：100 psi，软件必须反向求出工作週期。然后，据此改变PWM信号的工作週期，剎车器就会依此做出反应。如果此系统有一个感测器，则还可以藉由封闭回路控制电路来微调工作週期，直到获得期望的正确动力。
SoC处理器的PWM
一般的SoC处理器也可以内建PWM控制器，这是利用SoC内部的标准计时器来产生PWM信号。透过符合暂存器（match register）可以选择特定的应用项目。例如：7个符合暂存器支援6个单边控制或3个双边控制或两者混合的PWM输出信号。符合暂存器也支援下列功能：
˙特定的中断产生时，继续计时。
˙特定的中断产生时，停止计时。
˙特定的中断产生时，重置计时器。
每个符合暂存器的外部输出信号具有下列的功能：
˙符合时，输出低值。
˙符合时，输出高值。
˙符合时，切换输出值（原是低值变高值，原是高值变低值）。
˙符合时，不做任何事。

PWM控制器具有下列的功能：
˙脉冲周期和宽度（工作週期）是由计时器的计时数目设定。因此，解析度和重复率之间的取舍可以很有弹性。所有的PWM输出信号的重复率是相同的。
˙双边控制的PWM输出可以被设定为正的脉冲波缘，或负的脉冲波缘。
˙符合暂存器的更新是跟随脉冲输出讯号同步完成的，以避免产生错误的脉冲。软件必须先释出（release）新的符合值，之后它们才会生效。
˙如果PWM模式不有启动，它可以当成一个标准的计时器。
˙32-bit的计时器/计数器具有一个可程式化的32-bit预分频器（prescaler）。
˙具有数个32-bit的撷取通道，当一个输入信号做瞬间转换时，这些通道能够撷取计时值。一个撷取事件也会产生一个中断。

PWM建立在标准的计时器区块上，并继承了计时器的所有特性。计时器是用来计算週边时脉的週期数，并可以产生中断；当达到指定的时间值时（藉由符合暂存器组的协助），系统会执行特殊的工作。PWM控制器的功能和计时器类似，并且以符合暂存器的事件为基础。两个符合暂存器能够用来提供一个单边控制的PWM输出。其中，一个符合暂存器控制PWM周期率，当符合时，将计数器重置；另一个符合暂存器控制PWM的边缘位置。额外的单边控制的PWM输出只需要一个符合暂存器即可，因为所有的PWM输出信号的重复率（周期率）都是相同的。多个单边控制的PWM输出在每一个PWM周期的起始位置（当符合暂存器符合时），都具有一个上升缘。

三个符合暂存器能够用来提供一个双边控制的PWM输出。其中，一个符合暂存器控制PWM周期率。其它符合暂存器控制PWM的两个边缘位置。额外的双边控制的PWM输出只需要两个符合暂存器即可，因为所有的PWM输出信号的重复率都是相同的。


文章来源http://www.ndiy.cn/thread-9975-1-1.html

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