双 μC 的 PWM 频率和分辨率

有两种方法可以降低 PWM DAC 的纹波。可以降低低通滤波器的截止频率，或者提高PWM信号的频率。不可避免地，较低的截止频率转化为较慢的上升时间，而更快的 PWM 频率转化为较低的分辨率（通过在给定时钟频率下减小计数器大小来实现）。

该方法是过滤 PWM 信号的 HF 分量，只留下与占空比成正比的 LF 或 DC 分量。然而，低通滤波器并不能完全滤除PWM频率，因此LF/DC信号一般会有一些纹波。

有两种方法可以降低 PWM DAC 的纹波。可以降低低通滤波器的截止频率，或者提高PWM信号的频率。不可避免地，较低的截止频率转化为较慢的上升时间，而更快的 PWM 频率转化为较低的分辨率（通过在给定时钟频率下减小计数器大小来实现）。

我将讨论一个有趣的设计理念，它专注于在不使用上述方法的情况下降低 PWM DAC 的纹波。

事实证明，我们可以通过使用两个相位差为 180° 的 PWM 信号来降低纹波。直观上，当两个相同频率的正弦信号之间存在 180° 相位差时，它们会相互抵消，所以我们期望当我们使用两个具有 180° 相位差的 PWM 信号时，谐波会相互抵消，对吗？嗯，这是真的，但不是 PWM 信号的所有谐波。其中一些被取消，但其中一些 不。它与傅里叶级数有关，对于这篇文章来说有点太复杂了，所以我不会深入讨论数学。

如何实现两个 PWM 信号之间的 180° 相移？我使用了 TI 的MSP430FR5969 LaunchPad，但该方法大多是通用的。为了实施相移，您将需要两个定时器。其中一个定时器必须有两个比较捕获 PWM (CCP) 模块，另一个只需要一个 CCP。

您可以使用其中一个 CCP 在具有两个 CCP 的定时器中设置 PWM 频率和占空比，并使用另一个 CCP 生成中断以启动另一个定时器，延迟等于 PWM 周期的一半。另一个定时器中的单个 CCP 用于设置相同的 PWM 频率和占空比。您还必须“微调”延迟，因为软件将在 PWM 信号之间引入额外的时间。例如，在我的代码的第 102 行，我将比较寄存器值从 (timer_period+1)/2 更改为 (timer_period+1)/2-27。

我做了一些研究，看看其他微控制器是否有类似的硬件以及实现我使用的方法的能力：许多 Atmel 微控制器有多个定时器，通常每个都有两个 CCP（例如，ATmega 328）。因此，应该可以实施此方法。另一个流行的例子，STM32F051R8（这是一些流行的 ST 板使用的微控制器）有 11 个定时器，其中许多有多个 CCP。Texas Instrument 的基于 ARM 的微控制器通常具有单独的 PWM 和定时器模块（例如 TM4C123GH6PM），因此应该更容易实现相移。通过使用其中一个定时器，两个 PWM 模块可以以半个 PWM 周期的延迟启动。如果您尝试为不同的微控制器实施这种相移方法，请在评论部分告诉我。

图1  单和双 PWM 电路

在 相移 DAC 的V out 处，两个 PWM 信号相加在一起，希望一些谐波相互抵消，因此我们终得到较低的纹波。

让我们看一下使用不同电阻值的三种情况。每个 PWM 信号在 25% 的占空比下都是 100 kHz。

图2  上面的迹线是传统的 PWM。下方是双相移 PWM。伏特/格 从左到右递减：100mV、50mV、5mV。

通过查看结果，我们观察到两件事。首先，峰峰值纹波降低。其次，传统 PWM DAC 的纹波基频等于 PWM 信号的频率 (100 kHz)。相移 PWM DAC 的纹波基频等于 PWM 信号的二次谐波 (200 kHz)，这意味着我们成功地使用相移 DAC 消除了 PWM 信号的谐波。

这种方法的一个优点是在不增加上升时间的情况下降低纹波（或在上升时间的一半时保持相同的纹波）。

另一个潜在的优势是通过将两个 PWM 分开一个计数以获得中间值，从而使 DAC 的有效分辨率加倍。这确实会导致轻微的不对称和纹波增加，但影响可以忽略不计。