文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)03-0038-03
PWM(Pulse Width Modulation)脈寬調制技術是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，等效出所需要的波形[1]。PWM技術對波形調制的靈活性和通用性好，并且對硬件要求低，應用廣泛[2]。目前的PWM信號發(fā)生器大多存在周期調節(jié)不方便、路數有限等問題，而隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，FPGA擁有了資源豐富、工作速度快、使用靈活、穩(wěn)定性高等特點。在此基礎上，本文提出了一種基于FPGA+PWM的多路信號發(fā)生器，結合二者的優(yōu)勢，產生波形、頻率、幅度可獨立調節(jié)的多路波形信號[3]。
1 原理分析
根據面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同（沖量是指窄脈沖的面積；效果基本相同指的是輸出響應波形基本相同）。基于該理論生成的PWM控制技術即是利用一系列等幅不等寬的脈沖（不同占空比的矩形波），經過一定的信號處理來生成所需的各種波形[4]。
2.1 波形控制
對于三角波的生成，需要脈寬參數按照先線性增大然后線性減小的規(guī)律來實現，其他波形(如矩形波、鋸齒波等)可以用相同的原理實現。
在實現正弦波信號時，需要計算出正弦信號表，根據波形信號的頻率與幅度，通過查表的方式把RAM中的脈寬參數傳遞給PWM發(fā)生器，得到脈沖寬度按正弦變化的PWM脈沖波[7]。
2.2 PWM發(fā)生器
在FPGA中利用計數器和比較器來產生PWM矩形脈沖波，如圖4所示，在一個進程中用一個寄存器保存PWM周期參數T，T_Counter在系統時鐘的驅動下進行自加，直到T_Counter=T時T_Counter復位為0，完成一次PWM周期；在另一個進程中通過比較T_Counter與脈寬參數PWM_Width，從而控制PWM脈沖波的脈寬；為了更新PWM_Width，在T_Counter計數到T-1時向波形控制單元報告單次脈沖結束，波形控制單元接收到結束標志后更新脈寬參數，使PWM發(fā)生器在下一周期產生新的PWM脈沖波。
2.4 多路信號的產生
單路信號的波形控制單元和PWM發(fā)生器僅需要很小的FPGA資源和一個I/O引腳就能實現，并且外部濾波電路占用的PCB面積也比傳統DAC實現的信號發(fā)生器要小很多，所以只要把單路信號發(fā)生器進行簡單的復制就能實現多路信號的產生，且各個通道之間具有很好的獨立性，互不影響，這是FPGA相比其他控制芯片所具有的優(yōu)勢。
3 性能分析及測試
3.1 性能分析
電路使用XC3S100E來實現FPGA控制單元的設計。XC3S100E有108個可分配的用戶引腳，使用28個作為通信端口，剩余80個引腳進行PWM脈沖信號調制輸出；電路使用fosc=120 MHz的外部晶振，經內部DCM（時鐘控制管理模塊）倍頻后獲得240 MHz的系統時鐘。設置PWM脈沖發(fā)生計數器位數為N=14 bit。濾波電路通帶增益設置為1（Rf=0，斷開R1），所實現的信號發(fā)生器主要性能參數如下：
3.2 信號輸出測試
通過上位機設置各個通道的波形參數，利用Tektronix TDS100B(40 MHz，500 MS/s)示波器測量各通道的輸出波形，得到如圖6所示波形信號輸出。
從圖6中可以看出，信號源輸出波形光滑，頻率穩(wěn)定度高，而且各通道工作獨立性高，波形、頻率、幅度均可獨立調節(jié)，滿足設計要求。
基于FPGA+PWM的多路信號發(fā)生器的設計結合了FPGA與PWM技術的優(yōu)勢，可同時輸出80路信號，各路信號的波形、頻率、幅值均可獨立調節(jié)。實驗證明，該信號發(fā)生器具有良好的直流性能，其精度可達到0.2 mV，同時可產生良好的三角波、鋸齒波、正弦波、方波，還可通過上位機產生任意波形信號，輸出穩(wěn)定，頻率精度高。其成本低，設計靈活，可擴展性強，可應用于工業(yè)控制、LED陣列控制以及測量、通信等各種不同的場合。
參考文獻
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[2] 梁磊,王樹強,許芹.多路PWM 信號產生算法研究[J].電氣電子教學學報，2008，30(4)：47-49.
[3] 徐哲，魏民祥.一種實用的變占空比PWM信號Simulink實現方法[J].制造業(yè)自動化，2013，35(12)：33-35.
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