如果假定采样为均匀采样,第k个矩形脉冲可以表示为:
(1)
其中,x{t}是离散化的语音信号;Ts是采样周期;
是未调制宽度;m是调制指数。
然而,如果对矩形脉冲作如下近似:
脉冲幅度为A,中心在t=kTs处,
在相邻脉冲间变化缓慢,则脉冲宽度调制波xp(t)可以表示为:
(2)
其中,
。
无需作频谱分析,由式
(2)可以看出脉冲宽度信号由语音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。
当
时,相位调制部分引起的信号交迭可以忽略,因此,脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。
数字脉冲宽度调制器的实现:
实现数字脉冲宽度调制器的基本思想参看图2。
图中,在时钟脉冲的作用下,循环计数器的5位输出逐次增大。
5位数字调制信号用一个寄存器来控制,不断于循环计数器的输出进行比较,当调制信号大于循环计数器的输出时,比较器输出高电平,否则输出低电平。
循环计数器循环一个周期后,向寄存器发出一个使能信号EN,寄存器送入下一组数据。
在每一个计数器计数周期,由于输入的调制信号的大小不同,比较器输出端输出的高电平个数不一样,因而产生出占空比不同的脉冲宽度调制波。
图3
为了使矩形脉冲的中心近似在t=kTs处,计数器所产生的数字码不是由小到大或由大到小顺序变化,而是将数据分成偶数序列和奇数序列,在一个计数周期,偶数序列由小变大,直到最大值,然后变为对奇数序列计数,变化为由大到小。
如图3例子。
奇偶序列的产生方法是将计数器的最后一位作为比较数据的最低位,在一个计数周期内,前半个周期计数器输出最低位为0,其他高位逐次增大,则产生的数据即为偶数序列;后半个周期输出最低位为1,其余高位依次减小,产生的数据为依次减小的偶序列。
具体电路可以由以下电路图表示:
8051中的PWM模块设计:
应该称为一个适合语音处理的PWM模块,输出引脚应该外接一积分电路。
输出波形的方式适合作语音处理。
设计精度为8位。
PWM模块应包括:
1、 比较部分(Comp):
2、 计数部分(Counter):
3、 状态及控制信号寄存/控制器(PWM_Ctrl);
1) 状态积寄存器:
(Flags),地址:
E8H;
①EN:
PWM模块启动位,置位为‘1’将使PWM模块开始工作;
②(留空备用)
③④解调速率标志位:
00–无分频;01–2分频;10–10分频;11–16分频。
(RESET后为00)
⑤(留空备用)
⑥(留空备用)
⑦(留空备用)
⑧(留空备用)
注意:
该寄存器可以位操作情况下可写,不可读;只能在字节操作方式下读取。
2) 数据寄存器(DataStore),地址:
F8H;
注意:
该寄存器值不可读,只可写。
4、 端口:
1) 数据总线(DataBus);(双向)
2) 地址总线(AddrBus);(IN)
3) PWM波输出端口(PWMOut);(OUT)
4) 控制线:
①CLK:
时钟;(IN)
②Reset:
异步复位信号;(IN低电平有效)
③WR:
写PWMRAM信号;(IN低电平有效);
④RD:
读PWMRAM信号;(IN低电平有效)
⑤DONE:
接受完毕反馈信号;(OUT高电平有效)
⑥INT:
中断申请信号;(OUT低电平有效)
⑦IntResp:
中断响应信号;(In低电平有效)
⑧ByteBit:
字节/位操作控制信号(IN1-BYTE0-BIT);
⑨⑩
中断占用相当于MCU8051的外部中断2,则可保证在5个指令周期之内,“读取数据”中断必定得到响应。
PWM模块使用方法:
因为占用了8051外部中断1,所以在不使用该模块时,应该把外部中断2屏蔽。
而PWM模块产生的中断请求可以看作是“能接受数据”的信号。
中断方法如后“中断读取数据过程”。
使用PWM模块,应该先对内部地址8FH的数据寄存器写入数据,然后设置地址8EH的状态寄存器最低位(0)为‘1’,即PWM模块开始工作并输出PWM调制波(如TIMER模块)。
在输出PWM调制波过程中,应及时对PWM写入下一个调制数据,保证PWM连续工作,输出波形连续。
(待改进)
中断读取数据过程:
1. PWM模块可以读取数据,申请中断信号INT置位为‘0’,等待8051响应;
2. 8051接受到中断申请后,作出中断响应,置位IntResp信号线为‘0’;
3. PWM模块收到IntResp信号后,把中断申请信号INT复位为‘1’,等待8051通知读取数据WR信号;
4. 8051取出要求数据放于数据总线(DataBus)上,并置WR信号为‘0’;
5. PWM模块发现WR信号为‘0’,由数据总线(DataBus)上读取数据到内部数据寄存器,将DONE位置位为‘1’;
6. 8051发现DONE信号的上跳变为‘1’,释放数据总线;
7. PWM模块完成当前输出周期,复位DONE为‘0’,从此当前数据寄存器可以再次接受数据输入。
注意事项:
1)输出的PWM信号中的高电平部分必须处于一个输出周期的中间,不能偏离,否则输出语音经过低通后必定是一失真严重的结果。
2)对于8位精度的PWM,每个输出周期占用256(28)个机器周期,但是包含256个机器周期至少有22个指令周期,亦即264(22*12)个机器周期,由于语音信号的连续性,256与264之间相差的8个机器周期是不能由之丢空的,否则也会使输出信号失真。
如果将须输出数字量按256/264的比例放大输出,亦不可行,因为如此非整数比例放大,放大倍数很小,则经过再量化后小数部分亦会被忽略掉,产生失真。
举例:
输出数字量为16,按比例放大后为16.5,更会产生难以取舍的问题。
故采取以下办法:
该模块以时钟周期为标准,而与TMBus无关,即基本上与8051部分异步工作。
读取数据方式为每次读取足够数据段储存于模块内的RAM内(暂定每次读取8字节),储存字节数必须能保证PWM输出该段数据过程中,有足够时间从RAM处继续读取数据。
由于占用了8051的外部中断2,中断申请在3个指令周期(36个时钟周期)内必定能得到响应,而PWM模块处理一个数据需要固定耗时256个时钟周期,故能保证PWM模块顺序读取数据中断能及时得到响应,不会影响调制信号的连续性。
3)RDRAM过程是异步过程。
4)输出后数据寄存器不自动清零。
因为可以通过把Flags(0)写‘0’而停止PWM模块继续工作。
PWM技术的具体应用
PWM软件法控制充电电流
本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口,在不改变PWM方波周期的前提下,通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比,从而控制充电电流。
本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件,另外ADC的位数尽量高,单片机的工作速度尽量快。
在调整充电电流前,单片机先快速读取充电电流的大小,然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较,若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比;若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。
在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰,合理采用算术平均法等数字滤波技术。