基于DSP2812的PWM方案设计

摘 要：本文研究了基于DSP2812的PWM方案，实现了由DSP控制的PWM波形输出，并通过软件编程得到占空比不同的PWM脉冲序列，完成了PWM信号到模拟信号的数模转换（D/A）功能。实验结果表明，应用DSP的PWM输出，具有极强的可控性，并且PWM经过简单的变换电路就可以实现DAC，这不仅能提高DAC调制信号的精度，还将大大降低数模转换设备成本。

关键词：TMS320F2812；脉宽调制（PWM）；数模转换

中图分类号：TM461

脉宽调制（PWM：Pulse Width Modulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信和功率控制与变换的许多领域。目前，虽然PWM控制技术的实现方法的研究已经取得了一系列成果，但这些方法仍存在缺陷，如产生PWM波形的速率和精度不高、可控性不强等等。此外，在电子和自动化技术的应用中，单片机和DAC是经常需要同时使用的，然而许多单片机内部并没有集成DAC，即使有些单片机内部集成了DAC精度也往往不高，在高精度的应用中还需外接DAC，这样增加了成本。正是由于DAC芯片价格相对昂贵，使得其广泛应用受到限制。基于此，本文研究采用具有高运算精度（32位）和强大系统处理能力的TMS320F2812芯片，对PWM输出波形进行深入的研究，并将PWM波形通过低通滤波器实现DAC的功能。

1 PWM调制算法的研究

对于任意波形的实现，可以在一个周期内，对信号进行等间距采样，只要采样频率足够高，就可以根据采样点对信号重新进行刻画的。所以当采样频率取得足够高的时候，可以将任意相邻两个采样点之间用直线连接起来，通过与三角载波的比较，输出PWM波，从而生成所需要的信号。下面将具体介绍实现的过程，采用规则采样法使每个脉冲的中点与三角波的中心重合，使得计算大为简化。

图1 图2

如图1所示，A，B为相邻的两采样点。Tc为采样周期。若取载波周期 ，N为整数，G为三角载波的幅值，K为直流电压幅值，则相邻采样点间有N个三角载波。

取第n个三角波作分析（1≤n≤N），设等腰三角形的中心线与信号线的交点为D点，过D点做一条跟横轴平行的直线与等腰三角载波相交于E点和F点，由图2可知，取tE，tF作为控制时刻，根据等腰三角形的比例计算得到脉冲的宽度δ为：

（1）

根据面积相等原则，A，B点与横坐标轴组成的面积应该等于响应的脉冲部分的面积，可以推导出：

，即三角载波的幅值是等于直流电压的幅值。从公式（1）中各个变量均可确定，即可以根据各个变量求得PWM脉冲的宽度。

1.1 系统PWM软件实现

利用TMS320LF2812来生成任意波形脉冲的基本思想是利用DSP的事件管理器中的全比较单元、通用定时器、死区发生单元以及输出逻辑来生成PWM波，经复用的I/O引脚输出。DSP设置在连续增/减计数方式工作时，产生对称的PWM脉冲输出。在这种计数方式下，计数器的值由初始值开始增加，当达到TxPR值时，开始递减，直到变成0后又重新增加。在计数器跳变的过程中，计数器的值与比较寄存器CMPRx的值作比较，当计数器的值与比较寄存器的值相等时对应的方波输出发生电平转换。在一个定时器周期内，输出方波将发生2次翻转，从而形成一个脉冲。根据公式（1），写入DSP CMPR的值应该为：

系统软件部分分为初始化模块和运行模块，包括主程序、系统初始化子程序、定时器中断服务程序、GPIO端口配置子程序。具体程序流程如下：

1.2 硬件电路

图6 定时器功能框图

本研究中，由通用定时器T1产生PWM输出，定时器功能框图如图6所示。TMS320F2812作为控制器，用于处理采集到的数据和发送控制命令。由CCS环境下的C程序设置相关寄存器，产生不同占空比的PWM输出。用仿真器将PC机与系统硬件电路建立通信。TMS320F2812控制器首先采集T1PWM波形，然后将产生的PWM信号送入示波器，观察并分析。改变通用定时器比较寄存器的值，可以以改变PWM信号的占空比。在本设计中，选取正弦波形的等间距抽样值作为比较寄存器值，不仅可以得到随机的PWM输出，而且PWM调制信号通过低通滤波器后仍可恢复正弦波。在系统运行中，驱动保护电路检测当前系统的运行状态，如果系统中出现过流或欠压状况，PWM信号驱动器（IR2131）启动内部保护电路，锁存后继PWM信号输出，同时通过FAULT引脚拉低TMS320F2812控制器的PDPINTA引脚电压，启动DSP控制器的电源驱动保护。这时所有EV模块的输出引脚将被硬件置为高阻态，从而保护控制系统。

1.3 PWM输出实验结果及分析

在硬件电路的基础上，示波器接到PWM输出引脚，通过软件编程得到图7、图8所示的实验结果。示波器观察到的PWM波形如下：

图7 PWM输出波形1

图8 PWM输出波形2

波形分析：

从图7、图8可知，PWM输出是一系列周期一定，占空比近似均匀变化的脉冲波形。

设置周期寄存器时，适当选取一固定值。设置定时器比较寄存器时，选取正弦信号的抽样值作为比较寄存器值。在MATLAB6.5环境下，由语句：x=0：pi/10：2*pi可以产生20个正弦波采样值。然后将这些采样值扩大100倍，取整数部分作为比较寄存器值。因而，得到了一系列周期一定，占空比近似均匀变化的脉冲波形，为更好地分析PWM实现DAC输出、恢复正弦信号打下了基础。

2 简单的PWM到DAC的实现

图9是最简单的实现方式。图9中，PWM波直接从MCU的PWM引脚输出，该电路没有基准电压，只通过简单的阻容滤波得到DAC的输出电压。

图9 基于DSP的DAC电路原理图

2.1 DAC输出实验结果

本研究中，最终采用周期寄存器值EvaRegs.T1PR=200；比较寄存器值取长度为20的数组，该数组由MATLAB 7.0环境下在一个周期内对y=sin（x）的20个等间距采样值组成：[20]={100，130，158，180，195，200，195，180，158，130，100，69，41，19，4，0，4，19，41，69}。

由plot（x，y）画出的正弦波形如图10所示：

图10 MATLAB 7.0环境下采样20点画出的正弦波形

图10中，在正弦波的波峰与波谷处略有失真，这是由于均匀采样所致。根据13折线法对其进行量化，可以克服这一失真。

将PWM输出作为低通滤波器的输入，示波器接到DAC电压输出端，观察示波器显示结果。DAC电压输出波形如图11、图12所示：

图11 DAC输出1

图12 DAC输出2

2.2 波形分析

从图11可以看出，DAC输出波形由一系列脉冲叠加而成，而这些脉冲正是由PWM脉冲经低通滤波器转换生成。并且，在正弦波的一个周期内，存在20个PWM脉冲转换波形。由于此时周期寄存器值设置为EvaRegs.T1PR=2000，比较寄存器值相对较小，PWM转换脉冲的叠加延时较大，因而，只能得到DAC输出波形。

从PWM输出的DAC分辨率角度看，基于定时器T1 PWM输出的DAC分辨率通常是定时器周期寄存器的值。T1PR越大，对系统的分辨率要求就越高。当达不到此要求时，DAC输出波形将产生失真。由抽样定理可知，对于正弦信号，对其采样四个值即可恢复原信号。采样速率越大，要求的分辨率也越高。为了找到采样速率与分辨率这一对矛盾量的平衡，实现最佳效果输出。经过大量程序修改、仿真及电路的调整，得到DAC输出波形。比较图10和图12，可见，经低通滤波器后，PWM信号基本恢复成正弦信号。

3 结论

本文旨在研究基于DSP的PWM波形输出，探讨处理器对PWM波形产生的速度与精度。然后，在对PWM组成的理论分析的基础上，提出了可以通过一个低通滤波器把PWM中的DAC调制信得到高精度的DAC，降低了设备的成本。

参考文献：

[1]李旭，谢运祥.PWM技术实现方法综述[J].电源技术应用，2005，2.

[2]赵富强，刘永强，林伟斌.基于DSP的任意波形PWM调制技术[J].微计算机信息，2007，20：148-149.

[3]王庆宝.简述电力有源滤波器及PWM控制技术[J].黑龙江科技信息，2007，20：85.

作者简介：刘晓兴（1984.3-），男，山西朔州人，本科，助理工程师，研究方向：计算机自动化。

作者单位：中国人民解放军91918部队，北京 102300

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