如何使微處理器的PWM頻率和分辨率翻倍

降低PWM DAC紋波的方法通常有兩種：一種是降低低通濾波器的截止頻率，另一種是提高PWM信號的頻率。然而，前一種方法會加長上升時間，后一種方法會導致分辨率降低。本設計實例討論了在不使用上述兩種方法的情況下，如何降低PWM DAC的紋波。

我們大多數(shù)人都知道PWM DAC(數(shù)模轉換器)。它們很容易實現(xiàn)，也很便宜，非常適合一些低性能的應用。

實現(xiàn)它們的方法是濾除PWM信號中的高頻分量，只留下正比于占空比的低頻或直流分量。但是低通濾波器并不能完全濾除PWM頻率，因此低頻/直流信號中通常都會有一定程度的紋波。

減少PWM DAC紋波的方法一般有兩種。一種是降低低通濾波器的截止頻率，另一種是提高PWM信號的頻率。然而不可避免的是，更低的截止頻率會延長上升時間;如果是在給定時鐘頻率點通過減小計數(shù)器尺寸實現(xiàn)的，那么更快的PWM頻率會降低分辨率。

下面要討論的設計實例非常有趣，著重介紹了另外一種降低PWM DAC紋波的方法。

事實上，我們可以使用相位差為180°的兩個PWM信號來降低上述紋波。從直覺上，當兩個相同頻率的正弦波的相位相差180°時，它們會相互抵消，因此我們使用相位差為180°的兩個PWM信號也能將彼此的諧波分量抵消干凈，是這樣嗎?確實是這樣，但并不是PWM信號的所有諧波分量都能抵消，有些分量可以抵消，有些卻抵消不了。這與傅里葉級數(shù)有關，比較復雜，這里就不羅列一大堆數(shù)學公式來進行解釋了。

兩個PWM信號之間180°的相位差是如何實現(xiàn)的呢?我使用了TI的MSP320FR5969 LaunchPad，這種方法很常用。為了實現(xiàn)相位移動，需要兩個定時器。其中一個定時器必須包含兩個比較-捕獲-PWM(CCP)模塊，另一個只需要一個CCP模塊。

在包含兩個CCP模塊的定時器中，可以用一個CCP模塊來設置該定時器的PWM頻率和占空比，另一個CCP模塊產(chǎn)生中斷，用于啟動另一個定時器，兩者的延時等于PWM周期的一半。另一個定時器中的CCP模塊用于設置相同的PWM頻率和占空比。你還必須對這個延時進行“微調(diào)”，因為軟件會在PWM信號之間增加額外的時間。舉例來說，在我的代碼的102行，我將比較寄存器的值從(timer_period+1)/2改為了(timer_period+1)/2-27。

我做了一些小調(diào)查，想看看其它微控制器是否具有相同的硬件和能力來實現(xiàn)我所用的方法：許多Atmel微控制器都有1個以上的定時器，每種控制器通常都有兩個CCP(比如ATmega 328)，因此實現(xiàn)這種方法應該是可能的。另外一個常見的例子是STM32F051R8(這是一些流行的ST電路板使用的微控制器)，它有11個定時器，其中許多定時器都有1個以上的CCP。TI基于ARM的微控制器通常有獨立的PWM和定時器模塊(如TM4C123GH6PM)，因此應該更容易實現(xiàn)相移。使用其中一個定時器，兩個PWM模塊就可以以一半PWM周期的延時開啟。

圖1：單路和雙路PWM電路。

在相移DAC的Vout端，兩個PWM信號被累加在一起，結果有些諧波分量彼此抵消，最終實現(xiàn)了降低紋波的效果。

我們看看使用三種不同電阻值時的情況。每個PWM信號都是占空比為25%、頻率為100kHz。

圖2：上面的波形是傳統(tǒng)PWM，下面的波形是雙路相移PWM。從左到右每格的電壓遞減100mV、50mV、4mV。

從圖中的結果可以看出：首先，峰-峰紋波降低了;其次，傳統(tǒng)PWM DAC的紋波基頻等于 PWM信號的頻率(100kHz)。相移PWM DAC的紋波基頻等于PWM信號的二次諧波(200kHz)，這意味著我們用相移DAC成功地刪除了PWM信號的一次諧波。

這種方法的一個優(yōu)點是不用增加上升時間也能降低紋波(或者相同的紋波只需一半的上升時間)。

另外一個潛在優(yōu)點是，將兩個PWM設置為相隔一個計數(shù)值可以獲得中間值，進而實現(xiàn)DAC有效分辨率的翻倍。雖然這會導致少許的不對稱并增加紋波，但是影響很小可以忽略不計。