ATmega128單片機(jī)PWM設(shè)計(jì)

　　脈寬調(diào)制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。本文提出AVR單片機(jī)ATmega128的PWM的設(shè)計(jì)方法。

　　1.定時(shí)/計(jì)數(shù)器PWM設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　根據(jù)PWM的特點(diǎn)，在使用ATmega128的定時(shí)/計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)輸出PWM時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　1)首先應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況，確定需要輸出的PWM頻率范圍，這個(gè)頻率與控制的對(duì)象有關(guān)。如輸出PWM波用于控制燈的亮度，由于人眼不能分辨42Hz以上的頻率，所以PWM的頻率應(yīng)高于42Hz，否則人眼會(huì)察覺(jué)到燈的閃爍。

　　2)然后根據(jù)需要PWM的頻率范圍確定ATmega128定時(shí)/計(jì)數(shù)器的PWM工作方式。AVR定時(shí)/計(jì)數(shù)器的PWM模式可以分成快速PWM和頻率(或相位)調(diào)整PWM兩大類。

　　3)快速PWM可以的到比較高頻率的PWM輸出，但占空比的調(diào)節(jié)精度稍微差一些。此時(shí)計(jì)數(shù)器僅工作在單程正向計(jì)數(shù)方式，計(jì)數(shù)器的上限值決定PWM的頻率，而比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小。PWM頻率的計(jì)算公式為：

　　PWM頻率 = 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率/(分頻系數(shù)*(1+計(jì)數(shù)器上限值))

　　4)快速PWM模式適合要求輸出PWM頻率較高，但頻率固定，占空比調(diào)節(jié)精度要求不高的應(yīng)用。

　　5)頻率(相位)調(diào)整PWM模式的占空比調(diào)節(jié)精度高，但輸出頻率比較低，因?yàn)榇藭r(shí)計(jì)數(shù)器僅工作在雙向計(jì)數(shù)方式。同樣計(jì)數(shù)器的上限值決定了PWM的頻率，比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小。PWM頻率的計(jì)算公式為：

　　PWM頻率 = 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率/(分頻系數(shù)*2*計(jì)數(shù)器上限值))

　　6)相位調(diào)整PWM模式適合要求輸出PWM頻率較低，但頻率固定，占空比調(diào)節(jié)精度要求高的應(yīng)用。當(dāng)調(diào)整占空比時(shí)，PWM的相位也相應(yīng)的跟著變化(Phase　　Correct)。

　　7)頻率和相位調(diào)整PWM模式適合要求輸出PWM頻率較低，輸出頻率需要變化，占空比調(diào)節(jié)精度要求高的應(yīng)用。此時(shí)應(yīng)注意：不僅調(diào)整占空比時(shí)，PWM的相位會(huì)相應(yīng)的跟著變化;而一但改變計(jì)數(shù)器上限值，即改變PWM的輸出頻率時(shí)，會(huì)使PWM的占空比和相位都相應(yīng)的跟著變化(Phase　　and Frequency Correct)。

　　8)在PWM方式中，計(jì)數(shù)器的上限值有固定的0xFF(8位T/C);0xFF、0x1FF、0x3FF(16位T/C)?；蛴捎脩粼O(shè)定的0x0000-0xFFFF，設(shè)定值在16位T/C的ICP或OCRA寄存器中。而比較匹配寄存器的值與計(jì)數(shù)器上限值之比即為占空比。

　　2.PWM應(yīng)用設(shè)計(jì)參考

　　下面給出一個(gè)設(shè)計(jì)示例，在示例中使用PWM方式來(lái)產(chǎn)生一個(gè)1KHz左右的正弦波，幅度為0-Vcc/2。

　　首先按照下面的公式建立一個(gè)正弦波樣本表，樣本表將一個(gè)正弦波周期分為128個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)按7位量化(127對(duì)應(yīng)最高幅值Vcc/2)：

　　f(x) = 64 + 63 * sin(2πx/180) x∈[0…127]

　　如果在一個(gè)正弦波周期中采用128個(gè)樣點(diǎn)，那么對(duì)應(yīng)1KHz的正弦波PWM的頻率為128KHz。實(shí)際上，按照采樣頻率至少為信號(hào)頻率的2倍的取樣定理來(lái)計(jì)算，PWM的頻率的理論值為2KHz即可。考慮盡量提高PWM的輸出精度，實(shí)際設(shè)計(jì)使用PWM的頻率為16KHz，即一個(gè)正弦波周期(1KHz)中輸出16個(gè)正弦波樣本值。這意味著在128點(diǎn)的正弦波樣本表中，每隔8點(diǎn)取出一點(diǎn)作為PWM的輸出。

　　程序中使用ATmega128的8位T/C0，工作模式為相位調(diào)整PWM模式輸出，系統(tǒng)時(shí)鐘為8MHz，分頻系數(shù)為1，其可以產(chǎn)生最高PWM頻率為：

　　8000000Hz / 510 =15686Hz。
        每16次輸出構(gòu)成一個(gè)周期正弦波，正弦波的頻率為980.4Hz。PWM由OC0(PB4)引腳輸出。參考程序如下(ICCAVR)。

　　//ICC-AVR application builder : 2004-08

　　// Target : M128

　　// Crystal: 8.0000Mhz

　　#include

　　#include

　　#pragma data:code

　　// 128點(diǎn)正弦波樣本表

　　const unsigned char auc_SinParam[128] = {

　　64,67,70,73,76,79,82,85,88,91,94,96,99,102,104,106,109,111,113,115,117,

　　118,120,121,123,124,125,126,126,127,127,127,127,127,127,127,126,126,125,

　　124,123,121,120,118,117,115,113,111,109,106,104,102,99,96,94,91,88,85,82,

　　79,76,73,70,67,64,60,57,54,51,48,45,42,39,36,33,31,28,25,23,21,18,16,14,12,

　　10,9,7,6,4,3,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,2,3,4,6,7,9,10,12,14,16,18,21,23,25,28,31,33,

　　36,39,42,45,48,51,54,57,60};

　　#pragma data:data

　　unsigned char x_SW = 8,X_LUT = 0;

　　#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:17

　　void timer0_ovf_isr(void)

　　{

　　X_LUT += x_SW; // 新樣點(diǎn)指針

　　if (X_LUT > 127) X_LUT -= 128; // 樣點(diǎn)指針調(diào)整

　　OCR0 = auc_SinParam[X_LUT]; // 取樣點(diǎn)指針到比較匹配寄存器

　　}

　　void main(void)

　　{

　　DDRB |= 0x10; // PB4(OC0)輸出

　　TCCR0 = 0x71; // 相位調(diào)整PWM模式，分頻系數(shù)=1，正向控制OC0

　　TIMSK = 0x01; // T/C0溢出中斷允許

　　SEI(); // 使能全局中斷

　　while(1)

　　{……};

　　}

　　每次計(jì)數(shù)器溢出中斷的服務(wù)中取出一個(gè)正弦波的樣點(diǎn)值到比較匹配寄存器中，用于調(diào)整下一個(gè)PWM的脈沖寬度，這樣在PB4引腳上輸出了按正弦波調(diào)制的PWM方波。當(dāng)PB4的輸出通過(guò)一個(gè)低通濾波器后，便得到一個(gè)980.4Hz的正弦波了。如要得到更精確的1KHz的正弦波，可使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器T/C1，選擇工作模式10，設(shè)置ICR1=250為計(jì)數(shù)器的上限值。

　　結(jié)束語(yǔ)：

　　本文以ATmega128為例介紹了AVR單片機(jī)的PWM設(shè)計(jì)方法。隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展PWM技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。