CN105375907B - 一种提高pwm信号分辨率的波形编码方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高PWM信号分辨率的波形编码方法及系统。方法包括步骤：将第一周期区间中m个周期PWM波形与第二周期区间中n个PWM波形进行组合，输出PWM组合波形。系统包括PWM波形产生模块、获取模块、波形插入模块。本发明利用普通带有硬件PWM模块的MCU，在已经实现的占空比信号之间，插入一定数量的前后占空比信号波形，实现分辨率的有效提高。本发明在不改变主时钟频率，也不降低PWM信号频率的前提下，仅通过简单的算法，通过编码调整占空比，即可实现PWM信号的分辨率有效提高，同时节省了电路硬件成本。本发明可广泛应用于各种PWM波形编码系统。

Description

一种提高PWM信号分辨率的波形编码方法及系统
技术领域
本发明涉及数字编码方法，尤其涉及一种PWM信号波形编码方法及系统。
背景技术
PWM:Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制。
PWM分辩率：指PWM的占空比可调的级数。
MCU：Microcontroller Unit，微处理器。
PWM电路的时间分辨率取决于时钟频率。一般做法，为了提高PWM的时间分辨率，就是提高PWM电路的主时钟频率。但是当时钟频率过高时，电路成本大幅度上升，同时高频时钟会导致出现严重的射频干扰。在申请号为CN200480016109.9的专利文献中，介绍了一个电路设计方案，提高PWM分辨率，而不提高主时钟频率。但是这个专利，需要额外设计可编程延时环路电路，实现高于主时钟的时间分辨率。由于增加了额外的可编程延时环路电路，实现成本相应增加。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可有效提高PWM信号分辨率，同时无需增加电路硬件成本的PWM波形编码方法。
为了解决上述技术问题，本发明的另一个目的是提供一种可有效提高PWM信号分辨率，同时无需增加电路硬件成本的PWM波形编码系统。
本发明所采用的技术方案是：
一种提高PWM信号分辨率的波形编码方法，其包括步骤：S1，获取相邻的两个PWM周期区间的PWM波形，所述相邻两个PWM周期区间为第一周期区间和第二周期区间，所述第一周期区间和第二周期区间具有PWM周期个数相同、占空比不同的PWM波形；S2，将第一周期区间中m个周期PWM波形与第二周期区间中n个PWM波形进行组合，输出PWM组合波形，其中，m和n均为小于PWM周期个数N的正整数。
优选的，所述的输出PWM周期区间满足约束条件：小于或等于输出信号要求的系统闭环反馈时间T。
优选的，所述输出PWM组合波形具有的波形数量P符合计算公式：P=F*T/N，其中，F为PWM工作频率，N为PWM周期个数。
优选的，所述输出PWM组合波形的占空比αA符合计算公式：αA=（m*α0+n*α1）/(m+n)，其中，α0为第一周期区间的占空比，α1为第二周期区间的占空比。一种提高PWM信号分辨率的波形编码系统，其用于实施提高PWM信号分辨率的波形编码方法，系统包括：PWM波形产生模块，用于输出具有多个周期区间的PWM波形，所述不同周期区间的PWM周期个数相同、占空比不同；获取模块，用于获取并标识相邻的两个PWM周期区间：第一周期区间和第二周期区间；波形插入模块，用于将第一周期区间中m个周期PWM波形与第二周期区间中n个PWM波形进行组合，输出PWM组合波形。
本发明的有益效果是：
本发明利用普通带有硬件PWM模块的MCU，在已经实现的占空比信号之间，插入一定数量的前后占空比信号波形，实现分辨率的有效提高。本发明在不改变主时钟频率，也不降低PWM信号频率的前提下，仅通过简单的算法，通过编码调整占空比，即可实现PWM信号的分辨率有效提高，同时节省了电路硬件成本。
本发明可广泛应用于各种PWM波形编码系统。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明提高PWM信号分辨率的波形编码方法一种实施例的波形示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
原理上，从直流成分分析，PWM信号本来是线性的。
PWM的占空比α定义为：α=TH/T1；
PWM理想低通滤波器输出电压：u=（VH-VL）*α；
其中，TH是一个PWM周期里面高电平的时间，T1为PWM周期，VH是PWM信号的高电平电压，VL是PWM信号的低电平电压。输出电压u与PWM波形占空比α成正比。
本发明的基本构思为：把2个相邻的占空比PWM波形，占空比小的编码为0（α0），占空比大的编码为1（α1），这样可以在2个占空比之间，通过调整0和1的组合比例，只要0和1的个数足够多，就可以实现2个占空比之间的任意电压。组合后的波形，假设是m个周期占空比小的波形，n个周期占空比大的波形，理论上平均占空比：
αA=（m*α0+n*α1）/(m+n)；
通过调整m和n的参数，既可以实现α0与α1之间的任意占空比，从而得到程序可控的高分辨率的输出电压。
一种提高PWM信号分辨率的波形编码方法，其包括步骤：S1，获取相邻的两个PWM周期区间的PWM波形，所述相邻两个PWM周期区间为第一周期区间和第二周期区间，所述第一周期区间和第二周期区间具有PWM周期个数相同、占空比不同的PWM波形；S2，将第一周期区间中m个周期PWM波形与第二周期区间中n个PWM波形进行组合，输出PWM组合波形，其中，m和n均为小于PWM周期个数N的正整数。
优选的，所述的输出PWM周期区间满足约束条件：小于或等于输出信号要求的系统闭环反馈时间T。
优选的，所述输出PWM组合波形具有的波形数量P符合计算公式：P=F*T/N，其中，F为PWM工作频率，N为PWM周期个数。
优选的，所述输出PWM组合波形的占空比αA符合计算公式：αA=（m*α0+n*α1）/(m+n)，其中，α0为第一周期区间的占空比，α1为第二周期区间的占空比。
例如，PWM电路采用16MHz时钟主频的MCU，型号为STM8，假设实际应用电路需要PWM工作频率为1.6MHz，PWM信号的占空比分辨率为：16MHz/1.6MHz=10级，即共有从0到1共10个占空比等级。这里电路假定PWM是3.3V的电平，实际PWM信号低通滤波后得到的直流电压范围是0~3.3V，直流电压分辨率是3.3V/10=330mv。
这是一个正常使用单片机的内部PWM单元产生的分辨率。
下面，我们通过本发明的编码方法，进一步提高分辨率。
我们将2个相邻的占空比PWM信号，去掉占空比为0%和100%，从10%到90%共8个有效区间，占空比小的定义为逻辑0，占空比大的定义为逻辑1，然后通过软件编程，假定N个PWM信号周期，改变一次0或1。这样，在相邻的2个PWM信号占空比里面，可以插入数个0与1组合的PWM波形。0和1的数量，取决于目标输出信号要求的系统闭环反馈时间T。假定目标设计系统要求闭环反馈时间为T=1ms，那么在1.6MHHz的主频下面，在2个占空比之间，可以插入0和1的组合波形数量是：取N=10，组合波形的数量P=1.6MHz*T/N=160。当P=160时，分辨率增加倍数M=P–2=158倍(本来波形只有0和1两个)，即新的PWM分辨率Q=（10-2）*158=1284；这个分辨率高于10bit的DAC。
如果要继续提高分辨率，可以减小PWM周期个数N，加大系统闭环反馈时间T。在本例里面，假定N=10不变,T=1s，则计算新的分辨率结果如下：
P=1.6MHz*T/N=1.6M/10=160000倍；
分辨率增加倍数M=160K–2=159998；
PWM波形新的分辨率Q=8*M=8*159998=1279984；
这个分辨率，高于20bit的数模转换电路。
本算法用于PWM波形合成系统，可以实现分辨率的大幅提升。
为方便进一步说明，下面画图演示一个简化的PWM波形合成实例。此处取PWM波形组合单元的PWM方波个数N=10,占空比20%的信号取为逻辑0信号，占空比30%的信号取为逻辑1信号。
图1中的A波形是10个周期的30%占空比的PWM信号波形（第一周期区间）；B波形是10个周期的20%占空比PWM信号波形（第一周期区间）。
取前3个周期是占空比为30%的1信号，后7个周期是占空比为20%的0信号，合成PWM组合波形如图1中的C波形所示。
组合后的新PWM波形的占空比为：（30%*3+20%*7）/10=23%。
一种提高PWM信号分辨率的波形编码系统，其用于实施提高PWM信号分辨率的波形编码方法，系统包括：PWM波形产生模块，用于输出具有多个周期区间的PWM波形，所述不同周期区间的PWM周期个数相同、占空比不同；获取模块，用于获取并标识相邻的两个PWM周期区间：第一周期区间和第二周期区间；波形插入模块，用于将第一周期区间中m个周期PWM波形与第二周期区间中n个PWM波形进行组合，输出PWM组合波形。PWM波形产生模块输出PWM波形，获取模块中增加一个计数器来计数PWM周期波形输出数量N，波形插入模块再根据预设的占空比值计算出的0与1组合比例，间隔调整MCU的占空比调整参数，实现PWM波形合成输出，循环往复。
本发明利用普通带有硬件PWM模块的MCU，在已经实现的占空比信号之间，插入一定数量的前后占空比信号波形，实现分辨率的有效提高。本发明在不改变主时钟频率，也不降低PWM信号频率的前提下，仅通过简单的算法，通过编码调整占空比，即可实现PWM信号的分辨率有效提高，同时节省了电路硬件成本。
本发明可广泛应用于各种PWM波形编码系统。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种提高PWM信号分辨率的波形编码方法，其特征在于,其包括步骤：
S1，获取相邻的两个PWM周期区间的PWM波形，所述相邻两个PWM周期区间为第一周期区间和第二周期区间，所述第一周期区间和第二周期区间具有PWM周期个数相同、占空比不同的PWM波形；
S2，将第一周期区间中m个周期PWM波形与第二周期区间中n个PWM波形进行组合，输出PWM组合波形，其中，m和n均为小于PWM周期个数N的正整数。
2.根据权利要求1所述的提高PWM信号分辨率的波形编码方法，其特征在于，所述的输出PWM周期区间满足约束条件：小于或等于输出信号要求的系统闭环反馈时间T。
3.根据权利要求2所述的提高PWM信号分辨率的波形编码方法，其特征在于，所述输出PWM组合波形具有的波形数量P符合计算公式：P＝F*T/N，其中，F为PWM工作频率，N为PWM周期个数。
4.根据权利要求3所述的提高PWM信号分辨率的波形编码方法，其特征在于，所述输出PWM组合波形的占空比αA符合计算公式：αA＝(m*α0+n*α1)/(m+n)，其中，α0为第一周期区间的占空比，α1为第二周期区间的占空比。
5.一种提高PWM信号分辨率的波形编码系统，其特征在于,其用于实施如权利要求1至4任一项所述的提高PWM信号分辨率的波形编码方法，系统包括：
PWM波形产生模块，用于输出具有多个周期区间的PWM波形，不同周期区间的PWM周期个数相同、占空比不同；
获取模块，用于获取并标识相邻的两个PWM周期区间：第一周期区间和第二周期区间；
波形插入模块，用于将第一周期区间中m个周期PWM波形与第二周期区间中n个PWM波形进行组合，输出PWM组合波形。
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