FPGA第三講課件——產(chǎn)生PWM、SPWM波.ppt

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1、FPGA產(chǎn)生PWM、SPWM波FPGA---PWMPWM是脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）的簡稱，它在自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。在電機(jī)控制、交流檢測等實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，PWM是整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)核心。因此，設(shè)計(jì)支持PWM輸出的芯片（或獨(dú)立的電路功能模塊）實(shí)用價(jià)值很大。PWM調(diào)制原理PWM波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號的瞬時(shí)采樣值成比例。圖1所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸

2、出0。因此，從圖1中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。PWM技術(shù)最初是在無線電技術(shù)中用于信號的調(diào)制，后來在低頻大功率電路中得到了很好的應(yīng)用。在直流伺服控制系統(tǒng)中，通過專用集成芯片或中小規(guī)模數(shù)字集成電路構(gòu)成的傳統(tǒng)PWM控制電路往往存在電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、體積大、抗干擾能力差以及設(shè)計(jì)困難、設(shè)計(jì)周期長等缺點(diǎn)，因此，PWM控制電路的模塊化、集成化已成為發(fā)展趨勢。它不僅可以使系統(tǒng)體積減小、重量減輕且功耗降低，同時(shí)可使系統(tǒng)的可靠性大大提高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是ASIC（專用集成電路）設(shè)計(jì)技術(shù)的日趨完善，數(shù)字化的EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）工

3、具給電子設(shè)計(jì)帶來了巨大變革，在水聲和超聲、電機(jī)控制等許多應(yīng)用場合，需要產(chǎn)生多路頻率和脈沖寬度可調(diào)的PWM波形，這可通過FPGA豐富的硬件資源和可以配置I/O引腳來實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)中FPGA的應(yīng)用設(shè)計(jì)關(guān)鍵是系統(tǒng)軟硬件功能的劃分。1．單路PWM發(fā)生器結(jié)構(gòu)和原理圖2是實(shí)現(xiàn)的單路PWM硬件結(jié)構(gòu)框圖。CPU通過數(shù)據(jù)線向FPGA寫入定時(shí)常數(shù)控制PWM的頻率、初始相位和占空比，并通過外部啟動(dòng)信號控制PWM的啟動(dòng)。系統(tǒng)的工作過程：采用50M時(shí)鐘脈沖信號作為PWM生成器的時(shí)鐘信號。首先CPU計(jì)算出所需要輸出PWM的頻率，初始相位和占空比信息，通過數(shù)據(jù)線向FPG

4、A內(nèi)部寄存器寫入以上信息，并通過外部啟動(dòng)信號控制PWM的啟動(dòng)。2．多路PWM發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)原理通過上面的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)單路的PWM的FPGA設(shè)計(jì)，利用FPGA來擴(kuò)展I/O接口，可實(shí)現(xiàn)多路PWM（脈寬調(diào)制）輸出，在超聲、電機(jī)控制等許多應(yīng)用場合，需要產(chǎn)生多路頻率，和脈沖寬度可調(diào)的PWM波形。應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的單路的PWM的設(shè)計(jì)，可以推廣到多路PWM設(shè)計(jì)，圖4為多路PWM的系統(tǒng)原理框圖。通過一個(gè)主控內(nèi)部計(jì)算產(chǎn)生輸出生成PWM所需的頻率、初始相位、占空比等參數(shù)，后級可并聯(lián)數(shù)個(gè)FPGA芯片，來生成PWM波形，每片F(xiàn)PGA內(nèi)部又可以生成6-10路PWM信號，通過級聯(lián)

5、FPGA，可以產(chǎn)生多路不同頻率、占空比、初始相位的PWM信號，有較好的同步及一致性，對于需要多路PWM信號的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有著很強(qiáng)的實(shí)用性。FPGA---SPWM正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,但SPWM的波形生成是應(yīng)用中一個(gè)難點(diǎn),目前形成SPWM的方法有:(1)由分立元件構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單,但可靠性和精度均不能滿足要求;(2)采用計(jì)算機(jī)計(jì)算或查表方式,省卻了硬件電路,但CPU負(fù)擔(dān)很重;(3)采用專用集成電路,如SLE4520、SA4828等,但其功能固定,可擴(kuò)展性差;(4)采用FPGA(現(xiàn)場可編門陣列),具有速度快、精度高且

6、可以在線編程修改等優(yōu)點(diǎn),是一種較好的方案。SPWM原理；用輸出的正弦信號作為調(diào)制波,用高頻三角波作為載波.SPWM兩個(gè)參數(shù):載波比：N=F三角/F正弦（最好為3的倍數(shù)）調(diào)制度：M=V正弦/V三角（<1）2SPWM波形控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)由直接頻率生成器產(chǎn)生低頻正弦信號,然后與累加累減計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的數(shù)字高速三角波進(jìn)行高速比較而產(chǎn)生SPWM,再經(jīng)過死區(qū)控制模塊產(chǎn)生死區(qū)。2.1系統(tǒng)構(gòu)圖圖2是SPWM波形控制器結(jié)構(gòu)框圖。SPWM波形產(chǎn)生設(shè)計(jì)SPWM波是根據(jù)三角載波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)而得到的一系列脈沖,其幅度不變而寬度按正弦規(guī)律變化。利用FPGA生成SPWM信

7、號,需要將數(shù)字三角載波數(shù)據(jù)與正弦調(diào)制波數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較。當(dāng)三角波計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)比正弦調(diào)制波數(shù)據(jù)大時(shí),輸出1;當(dāng)三角波計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)比正弦調(diào)制波數(shù)據(jù)小時(shí),輸出0。由此可以產(chǎn)生寬度按正弦變化但幅度不變的SPWM信號。5結(jié)論利用FPGA的高速、高集成度、易于編程的特點(diǎn),設(shè)計(jì)一個(gè)SPWM波形控制器,既可以生成三相SPWM波形,也可以產(chǎn)生單相SPWM,只需改變程序即可。仿真和測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性,可以很方便地和單片機(jī)構(gòu)成通用的交流調(diào)速系統(tǒng),具有較好的應(yīng)用價(jià)值。PWM是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。廣泛地用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速和閥門控制，比如我們現(xiàn)在的

8、電動(dòng)車電機(jī)調(diào)速就是使用這種方式。SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它