如何在兩個(gè)PWM信號(hào)之間實(shí)現(xiàn)180°相移？

我們大多數(shù)人都了解PWM DAC。它們易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格便宜，并且對(duì)于低性能應(yīng)用程序是可接受的。

該方法是對(duì)PWM信號(hào)的HF分量進(jìn)行濾波，只剩下與占空比成正比的LF或DC分量。但是，低通濾波器無(wú)法完全濾除PWM頻率，因此，LF / DC信號(hào)通常會(huì)產(chǎn)生一些紋波。

有兩種方法可以減少PWM DAC的紋波。您可以降低低通濾波器的截止頻率，或者提高PWM信號(hào)的頻率。當(dāng)通過(guò)在給定的時(shí)鐘頻率下減小計(jì)數(shù)器大小來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，較低的截止頻率不可避免地會(huì)導(dǎo)致上升時(shí)間變慢，而較快的PWM頻率會(huì)導(dǎo)致分辨率下降。

我將談?wù)撘粋€(gè)有趣的設(shè)計(jì)思想，該思想集中在不使用上述方法的情況下降低PWM DAC的紋波。

事實(shí)證明，我們可以通過(guò)使用兩個(gè)相位差為180°的PWM信號(hào)來(lái)降低紋波。直觀地講，當(dāng)兩個(gè)正弦信號(hào)在相同頻率上存在180°的相位差時(shí)，它們會(huì)相互抵消，因此當(dāng)我們使用兩個(gè)具有180°相位差的PWM信號(hào)時(shí)，我們期望諧波能夠相互抵消。好吧，這是事實(shí)，但并非對(duì)PWM信號(hào)的所有諧波都如此。其中一些被取消，但其中一些

別。它與傅立葉級(jí)數(shù)有關(guān)，在本文中涉及到太多，所以我將不涉及數(shù)學(xué)。

如何在兩個(gè)PWM信號(hào)之間實(shí)現(xiàn)180°相移？我使用了TI的MSP430FR5969 LaunchPad，但是這種方法通常是通用的。為了實(shí)現(xiàn)相移，您將需要兩個(gè)計(jì)時(shí)器。其中一個(gè)定時(shí)器必須具有兩個(gè)“比較捕捉PWM”（CCP）模塊，另一個(gè)僅需要一個(gè)CCP。

您可以使用一個(gè)CCP在具有兩個(gè)CCP的定時(shí)器中設(shè)置PWM頻率和占空比，而另一個(gè)使用CCP產(chǎn)生中斷以啟動(dòng)另一個(gè)定時(shí)器，該延遲等于PWM周期的一半。其他定時(shí)器中的單個(gè)CCP用于設(shè)置為相同的PWM頻率和占空比。您還必須“微調(diào)”延遲，因?yàn)檐浖⒃赑WM信號(hào)之間引入額外的時(shí)間。例如，在我的代碼的第102行中，我將比較寄存器的值從（timer_period + 1）/ 2更改為（timer_period + 1）/ 2-27。

我做了一點(diǎn)研究，看看其他微控制器是否具有類(lèi)似的硬件以及實(shí)現(xiàn)我使用的方法的能力：許多Atmel微控制器都有一個(gè)以上的計(jì)時(shí)器，通常每個(gè)計(jì)時(shí)器都有兩個(gè)CCP（例如ATmega 328）。因此，應(yīng)該有可能實(shí)現(xiàn)此方法。另一個(gè)流行的例子是STM32F051R8（這是一些流行的ST板使用的微控制器）具有11個(gè)定時(shí)器，其中許多具有不止一個(gè)CCP。德州儀器（TI）的基于ARM的微控制器通常具有單獨(dú)的PWM和計(jì)時(shí)器模塊（例如TM4C123GH6PM），因此實(shí)現(xiàn)相移應(yīng)該更容易。使用一個(gè)定時(shí)器可以啟動(dòng)兩個(gè)PWM模塊，延遲時(shí)間為PWM周期的一半。如果您嘗試為不同的微控制器實(shí)現(xiàn)這種相移方法，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論部分讓我知道。

圖1 單PWM和雙PWM電路

在 相移DAC的V out處，將兩個(gè)PWM信號(hào)相加，并希望某些諧波相互抵消，因此最終可以降低紋波。

讓我們看一下使用不同電阻值的三種情況。每個(gè)PWM信號(hào)在25％占空比下均為100 kHz。

圖2 上面的跡線(xiàn)是常規(guī)PWM。較低的是雙相移PWM。伏/格 從左到右遞減：100mV，50mV，5mV。

通過(guò)查看結(jié)果，我們觀察到兩件事。首先，降低了峰峰值紋波。其次，常規(guī)PWM DAC的紋波基頻等于PWM信號(hào)的頻率（100 kHz）。相移PWM DAC的紋波基頻等于 PWM信號(hào)的二次諧波（200 kHz），這意味著我們已成功通過(guò)相移DAC消除了PWM信號(hào)的一次諧波。

這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在不增加上升時(shí)間的情況下降低了紋波（或在上升時(shí)間的一半處具有相同的紋波）。

另一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì)是，通過(guò)將兩個(gè)PWM的計(jì)數(shù)間隔設(shè)置為一個(gè)中間值，可使DAC的有效分辨率加倍。這確實(shí)會(huì)引起輕微的不對(duì)稱(chēng)并增加紋波，但是影響可以忽略不計(jì)。

編輯：hfy