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摘 要：通用脉冲宽度调制器是通过控制波形发生器产生的一种状态可变的调制波形，其输出信号的特征通常是保持脉冲信号的频率不变，而占空比随着脉冲发生器设定值的变化而变化。是对模拟电路进行控制的一种常用技术，以达到节能高效的目的，常用在直流电机调速和显示系统背光亮度调节的领域中。本文设计了一种脉冲宽度调制器，其工作原理是系统的设定值与计数器的输出值进行对比，二者相等时让输出电路清零，当计数器溢出时，让输出电路置位，从而控制输出电平的变化，实现输出脉冲调制的功能，而输出信号占空比的大小由系统设定值决定。
关键词：数值比较;计数溢出置位;比较相等清零;占空比调节
1 系统结构框图
脉冲宽度调制器系统主要由8个部分组成，分别是主计数器、设定值寄存器、写设定值控制电路、数值比较电路、逻辑运算电路、电平保持電路、极性控制电路和输出电平控制电路组成。
主计数器在时钟的驱动下实现计数值的改变。在每个系统时钟CLK上升沿来临的时刻，主计数器进行加1操作并输出该计数的数值。当主计数器所有的计数值输出引脚全是1的时刻，即输出的计数值达到最大值，其溢出指示引脚HCO被置1，在随后脉冲上升沿的作用下，计数值再次加1，主计数器输出全为0，此时溢出指示引脚HCO被置0，HCO由0变到1再变成0，产生这个持续时间为一个系统时钟周期的尖峰脉冲即是其中一个输出脉冲翻转控制信号。
写设定值控制电路负责控制写入设定值寄存器中的数据，该数据作为基准数据与计数器输出的数据在数值比较电路中进行比较，输出两个数据大小的控制信号。在写设定值控制电路中，主要完成输入基准数据的范围限定和将基准数据写入设定值寄存器的时机控制。
逻辑运算电路对数值比较电路和计数器溢出标志信号进行逻辑运算，产生最终调制信号的状态翻转控制信号。状态翻转控制信号包括比较相等时的基准信号和计数器溢出时的基准信号。电平保持电路在状态翻转控制信号的作用下不断对输出电平进行取反，依据比较相等时的基准信号和计数器溢出时的基准信号之间的时间差，便控制输出信号高电平的持续时间。
由于逻辑运算电路输出的结果可能混有毛刺和干扰信号，在送到电平保持电路之前，需对可能存在的干扰信号进行屏蔽处理。由于计数器输出的数据是在时钟的上升沿时改变，则毛刺信号会伴随着计数器输出数据的改变而产生，因此需增加电路控制信号的导通时刻，来避免毛刺信号输入到电平保持电路中。
2 系统工作原理
主计数器在时钟信号CLK信号的驱动下，每个时钟周期进行加1操作，每次加1操作后，与设定寄存器中保存的设定值进行比较，当二者相等时，数值比较器输出持续时间为1个时钟周期的高电平信号。当主计数器达到溢出状态时，其HCO引脚输出持续时间为一个时钟周期的高电平溢出信号，将该信号与数值比较器输出的信号经过逻辑运算电路后，便产生状态翻转的控制信号。系统工作原理如图2所示。
图2中，中间的方波波形是实际对外输出的经过调制后的波形，输出脉冲上升沿对应的下方的尖峰脉冲由计数器溢出后产生的状态翻转控制信号，该信号持续时间为一个时钟周期。输出脉冲下降沿对应的下方的尖峰脉冲由设定值寄存器的数值和计数器输出的数值相等时，数值比较器输出一个时钟周期的状态翻转控制信号，该信号持续时间为一个时钟周期。两个状态翻转控制信号均由逻辑运算电路输出，在设定值寄存器里的数值不是很接近0或不是很接近计数器的最大值时，二者发生在不同的时刻，不会产生冲突。
逻辑运算输出两个状态翻转信号给电平保持电路，电平保持电路由一个上升沿D触发器构成的二分频电路组成，该D触发器的反相输出端接自身的数据输入端，因此，在其CLK引脚输入的每个状态翻转信号的作用时刻，D触发器的输出端Q不断对上一个状态的输出电平进行取反，在CLK引脚的低电平期间，D触发器输出电平保持不变，从而实现最终的脉冲输出。
由于触发D触发器输出状态发生改变的是两个尖峰脉冲，尖峰脉冲半周期高电平的持续时间比较短，在忽略内部电路延时的情况，尖峰脉冲高电平的持续时间基本等于系统时钟高电平的时间，而D触发器在上升沿触发信号的作用下输出输入端所加的电平信号时，对触发脉冲的建立时间和保持时间是有要求的，因此，选用系统时钟的频率时，应考虑实际器件的建立时间和保持时间，避免因为时间要求的问题导致电路运行失败。
当设定值寄存器中的数据增加时，输出脉冲的占空比也随之增加，此时称输出的调制脉冲的极性为正极性。当设定值寄存器中的数据增加时，输出脉冲的占空比随之减少，此时称输出的调制脉冲的极性为负极性。正常工作时，系统输出正极性脉冲，但在某些特殊场合，需要脉冲宽度调制器随着设定值寄存器中的数据增加，输出脉冲的占空比减少，为增强该系统的适用场合，特增加极性反转电路满足该要求。
通常实现极性反转的方法是主计数器输出值和设定值寄存器的数值相等时，让输出脉冲置位，在主计数器溢出时让输出脉冲复位，其工作过程和正极性的工作过程完全一样，只是在两个状态翻转的时刻，输出脉冲电平和正极性输出的电平状态相反。考虑到在实际应用中，如果在一个脉冲宽度调制系统里集成两个这样的独立系统，既增加了系统硬件的复杂程度，又使系统的功耗上升，且成本增加，分析其实现的原理后，直接在输出脉冲端对正极性输出的脉冲进行取反，便实现了负极性脉冲的输出。对两路脉冲通过数据选择器进行控制，便可依据实际的需要，选择相应正极性或负极性的脉冲输出。而数据选择器的选择端可以做成控制信号，也可以设置成单片机内部寄存器中的某一个位进行编程控制。
对于某些特殊的应用场合，诸如像直流电机调速的场合，在确保电动机不工作时，其使能控制引脚应处于无效的状态，否则容易引发安全事故。当脉冲宽度调制器不工作时，需要输出一个不使能的电平，以确保其控制的电路不能工作，保证生产过程安全可靠。输出电平控制电路在检测到系统不使能信号有效时，输出该不使能的电平信号。该信号应在系统开始运行前写入到专用的寄存器位中。
不同厂家生产的电气驱动器使能控制信号电平不一定相同，为增加该系统的适用场合，在硬件电路上设置一个寄存器控制位，该位的状态决定了当系统处于不使能的状态时，可设置调制脉冲输出引脚的电平，从而适配所有的电气驱动器。该信号应在系统开始运行前写入到专用的寄存器位中。
3 写设定值控制电路
写设定值控制电路主要是控制写入设定值寄存器数值的时刻和限制该数值的范围。主计数器在正常工作时都在与设定值寄存器中的数值进行对比，如果没有限定写入设定值寄存器的时刻，突然的数据写入，后导致数据寄存器内数据剧烈波动，会导致脉冲调制器输出信号发生极性反转，输出信号完全错乱。为将影响降低到最小，在主计数器达到溢出的时刻才将数据写入设定值寄存器中。实际电路中，写入的时刻是随机的，但写入的数据会存到内部的一级缓存中，一级缓存将数据加载到二级缓存的输入端，当计数器达到溢出的时刻，接通二级缓存的输入和输出，此时将设定值写入到设定值寄存器中。
脉冲宽度调制器输出信号的不断变化是由状态翻转控制信号触发的，但设定值寄存器中的数值如果太靠近0值和最大值时，两个状态翻转信号会间隔很近，时间很短，太短的时间不满足D触发器时钟引脚对时钟信号建立时间和保持时间的要求，会把两个状态翻转尖峰信号识别成一个信号，导致电平保持电路不能及时完成输出信号状态的变化，进而导致输出信号极性的变化或输出信号频率的改变，也会产生输出信号完全错乱的情况，因此，在写设定值控制电路还增加了限幅电路了，当数值小于最小阈值的时候把数值限定在能正常工作的一个最小值上，当数值很接近主计数器的最大值时，限定在小于最大值的某个阈值上，从而避免该情况发生。
4 结语
本文详述了一种脉冲宽度调制器的实现方法，除实现基本的输出脉冲调制功能外，还增加了极性控制电路和输出电平控制电路，极大地增加了系统的适用场合。在系统设计上对细节电路进行优化，保证系统的工作稳定与可靠。
参考文献：
[1]李永敏.检测仪器电子电路[M].西北工业大学出版社，1994.
关键词：数值比较;计数溢出置位;比较相等清零;占空比调节
1 系统结构框图
脉冲宽度调制器系统主要由8个部分组成，分别是主计数器、设定值寄存器、写设定值控制电路、数值比较电路、逻辑运算电路、电平保持電路、极性控制电路和输出电平控制电路组成。
主计数器在时钟的驱动下实现计数值的改变。在每个系统时钟CLK上升沿来临的时刻，主计数器进行加1操作并输出该计数的数值。当主计数器所有的计数值输出引脚全是1的时刻，即输出的计数值达到最大值，其溢出指示引脚HCO被置1，在随后脉冲上升沿的作用下，计数值再次加1，主计数器输出全为0，此时溢出指示引脚HCO被置0，HCO由0变到1再变成0，产生这个持续时间为一个系统时钟周期的尖峰脉冲即是其中一个输出脉冲翻转控制信号。
写设定值控制电路负责控制写入设定值寄存器中的数据，该数据作为基准数据与计数器输出的数据在数值比较电路中进行比较，输出两个数据大小的控制信号。在写设定值控制电路中，主要完成输入基准数据的范围限定和将基准数据写入设定值寄存器的时机控制。
逻辑运算电路对数值比较电路和计数器溢出标志信号进行逻辑运算，产生最终调制信号的状态翻转控制信号。状态翻转控制信号包括比较相等时的基准信号和计数器溢出时的基准信号。电平保持电路在状态翻转控制信号的作用下不断对输出电平进行取反，依据比较相等时的基准信号和计数器溢出时的基准信号之间的时间差，便控制输出信号高电平的持续时间。
由于逻辑运算电路输出的结果可能混有毛刺和干扰信号，在送到电平保持电路之前，需对可能存在的干扰信号进行屏蔽处理。由于计数器输出的数据是在时钟的上升沿时改变，则毛刺信号会伴随着计数器输出数据的改变而产生，因此需增加电路控制信号的导通时刻，来避免毛刺信号输入到电平保持电路中。
2 系统工作原理
主计数器在时钟信号CLK信号的驱动下，每个时钟周期进行加1操作，每次加1操作后，与设定寄存器中保存的设定值进行比较，当二者相等时，数值比较器输出持续时间为1个时钟周期的高电平信号。当主计数器达到溢出状态时，其HCO引脚输出持续时间为一个时钟周期的高电平溢出信号，将该信号与数值比较器输出的信号经过逻辑运算电路后，便产生状态翻转的控制信号。系统工作原理如图2所示。
图2中，中间的方波波形是实际对外输出的经过调制后的波形，输出脉冲上升沿对应的下方的尖峰脉冲由计数器溢出后产生的状态翻转控制信号，该信号持续时间为一个时钟周期。输出脉冲下降沿对应的下方的尖峰脉冲由设定值寄存器的数值和计数器输出的数值相等时，数值比较器输出一个时钟周期的状态翻转控制信号，该信号持续时间为一个时钟周期。两个状态翻转控制信号均由逻辑运算电路输出，在设定值寄存器里的数值不是很接近0或不是很接近计数器的最大值时，二者发生在不同的时刻，不会产生冲突。
逻辑运算输出两个状态翻转信号给电平保持电路，电平保持电路由一个上升沿D触发器构成的二分频电路组成，该D触发器的反相输出端接自身的数据输入端，因此，在其CLK引脚输入的每个状态翻转信号的作用时刻，D触发器的输出端Q不断对上一个状态的输出电平进行取反，在CLK引脚的低电平期间，D触发器输出电平保持不变，从而实现最终的脉冲输出。
由于触发D触发器输出状态发生改变的是两个尖峰脉冲，尖峰脉冲半周期高电平的持续时间比较短，在忽略内部电路延时的情况，尖峰脉冲高电平的持续时间基本等于系统时钟高电平的时间，而D触发器在上升沿触发信号的作用下输出输入端所加的电平信号时，对触发脉冲的建立时间和保持时间是有要求的，因此，选用系统时钟的频率时，应考虑实际器件的建立时间和保持时间，避免因为时间要求的问题导致电路运行失败。
当设定值寄存器中的数据增加时，输出脉冲的占空比也随之增加，此时称输出的调制脉冲的极性为正极性。当设定值寄存器中的数据增加时，输出脉冲的占空比随之减少，此时称输出的调制脉冲的极性为负极性。正常工作时，系统输出正极性脉冲，但在某些特殊场合，需要脉冲宽度调制器随着设定值寄存器中的数据增加，输出脉冲的占空比减少，为增强该系统的适用场合，特增加极性反转电路满足该要求。
通常实现极性反转的方法是主计数器输出值和设定值寄存器的数值相等时，让输出脉冲置位，在主计数器溢出时让输出脉冲复位，其工作过程和正极性的工作过程完全一样，只是在两个状态翻转的时刻，输出脉冲电平和正极性输出的电平状态相反。考虑到在实际应用中，如果在一个脉冲宽度调制系统里集成两个这样的独立系统，既增加了系统硬件的复杂程度，又使系统的功耗上升，且成本增加，分析其实现的原理后，直接在输出脉冲端对正极性输出的脉冲进行取反，便实现了负极性脉冲的输出。对两路脉冲通过数据选择器进行控制，便可依据实际的需要，选择相应正极性或负极性的脉冲输出。而数据选择器的选择端可以做成控制信号，也可以设置成单片机内部寄存器中的某一个位进行编程控制。
对于某些特殊的应用场合，诸如像直流电机调速的场合，在确保电动机不工作时，其使能控制引脚应处于无效的状态，否则容易引发安全事故。当脉冲宽度调制器不工作时，需要输出一个不使能的电平，以确保其控制的电路不能工作，保证生产过程安全可靠。输出电平控制电路在检测到系统不使能信号有效时，输出该不使能的电平信号。该信号应在系统开始运行前写入到专用的寄存器位中。
不同厂家生产的电气驱动器使能控制信号电平不一定相同，为增加该系统的适用场合，在硬件电路上设置一个寄存器控制位，该位的状态决定了当系统处于不使能的状态时，可设置调制脉冲输出引脚的电平，从而适配所有的电气驱动器。该信号应在系统开始运行前写入到专用的寄存器位中。
3 写设定值控制电路
写设定值控制电路主要是控制写入设定值寄存器数值的时刻和限制该数值的范围。主计数器在正常工作时都在与设定值寄存器中的数值进行对比，如果没有限定写入设定值寄存器的时刻，突然的数据写入，后导致数据寄存器内数据剧烈波动，会导致脉冲调制器输出信号发生极性反转，输出信号完全错乱。为将影响降低到最小，在主计数器达到溢出的时刻才将数据写入设定值寄存器中。实际电路中，写入的时刻是随机的，但写入的数据会存到内部的一级缓存中，一级缓存将数据加载到二级缓存的输入端，当计数器达到溢出的时刻，接通二级缓存的输入和输出，此时将设定值写入到设定值寄存器中。
脉冲宽度调制器输出信号的不断变化是由状态翻转控制信号触发的，但设定值寄存器中的数值如果太靠近0值和最大值时，两个状态翻转信号会间隔很近，时间很短，太短的时间不满足D触发器时钟引脚对时钟信号建立时间和保持时间的要求，会把两个状态翻转尖峰信号识别成一个信号，导致电平保持电路不能及时完成输出信号状态的变化，进而导致输出信号极性的变化或输出信号频率的改变，也会产生输出信号完全错乱的情况，因此，在写设定值控制电路还增加了限幅电路了，当数值小于最小阈值的时候把数值限定在能正常工作的一个最小值上，当数值很接近主计数器的最大值时，限定在小于最大值的某个阈值上，从而避免该情况发生。
4 结语
本文详述了一种脉冲宽度调制器的实现方法，除实现基本的输出脉冲调制功能外，还增加了极性控制电路和输出电平控制电路，极大地增加了系统的适用场合。在系统设计上对细节电路进行优化，保证系统的工作稳定与可靠。
参考文献：
[1]李永敏.检测仪器电子电路[M].西北工业大学出版社，1994.