CN107579726A - 一种提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法，通过以数字脉宽调制器输出的每2N个相同占空比的脉宽调制(PWM)波形为一组，受控地为每组波形中的部分脉冲逐次加上一个分频时钟周期宽度，在不提高分频时钟频率的前提下，使数字脉宽调制器控制的有效输出精度得到N位的提高。本发明适用于滞后系统的快速反馈控制，在脉宽调制器的分频时钟无法提高的前提下，同时满足精度与速度要求，具有较强的通用性和适用性。

Description

一种提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法。
背景技术
数字脉宽调制器由于其控制灵活、响应速度快、效率高等优点被广泛应用于热电制冷器驱动等滞后系统领域。数字脉宽调制器输出的PWM波通过控制热电制冷器驱动的主电路的通断，起到调节主电路输出电压的作用，因此数字脉宽调制器的输出精度直接决定主电路输出电压的稳态精度。也就是说，在热电制冷器驱动中，数字脉宽调制器输出的精度决定着热电制冷器的控制精度，影响着整个滞后系统快速反馈控制的精度。
目前，数字脉宽调制器主要包括计数器型和延时链型两类。要想提高延时链型数字脉宽调制器的输出精度需要大量延时时间一致的延时单元，实际应用中均难以实现。计数器型数字脉宽调制器包括一个同步计数器和一个判断逻辑，输入信号包括时钟信号、占空比大小和设定的PWM周期数值，同步计数器对时钟信号连续计数，判断逻辑不断比较计数值和占空比的大小，在计数值低于占空比大小时输出高电平，高于占空比大小时输出低电平，并且在达到PWM周期时清零计数器开始新的循环。其中，输入占空比大小和PWM周期均为二进制数，位数为M位。数字脉宽调制器输出的PWM周期等于输入时钟信号周期乘上所设定PWM周期数值。输出PWM波频率越高(周期越小)，即速度越快，输出PWM波的精度与占空比的位数成正比。鉴于实际情况中，计数器型数字脉宽调制器的分频时钟频率常常无法提高，即无法改变输入时钟信号周期。在这个前提下，输出的PWM波频率越高(周期越小)，所设定的PWM周期数值越小(PWM位数越小)。即计数器型数字脉宽调制器输出PWM的速度和精度是矛盾的。而在要求速度的前提下，要想提高有效输出精度，又必须提高分频时钟频率。
综上所述，如何在不提高分频时钟频率的前提下，提高计数器型数字脉宽调制器的输出精度是亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法，以解决精度和速度存在矛盾的问题。
一种提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法，包括：
确定输入所述计数器型数字脉宽调制器的分频时钟周期宽度、PWM周期数值和占空比数值；
确定所述计数器型数字脉宽调制器输出的一组PWM波包括2N个，所述PWM波的占空比的数字信号为M+N位，其中，M为高位，N为低位，所述占空比的大小取M位；
确定与所述低位N的取值相对应的所有的数字量；
控制所述计数器型数字脉宽调制器输出的每组PWM波形的占空比大小随所述数字量的增加依次增加一个分频时钟周期宽度，使低N位数字从0变化到2N-1时，所述计数器型数字脉宽调制器所控制的主电路输出电压依次增加了0到2N-1/2N个分频时钟周期宽度对应的输出电压值。
优选的，在上述提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法中，调整所述计数器型数字脉宽调制器的同步计数器的计数方式，使得当计数值小于所述占空比数值+1时，输出每组PWM波形的高电平，当计数值大于所述占空比数值+1时，输出每组PWM波形的低电平。
优选的，在上述提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法中，占空比信号低N位的取值为2或3。
通过以数字脉宽调制器输出的每2N个相同占空比的脉宽调制(PWM)波形为一组，受控地为每组波形中的部分脉冲逐次加上一个分频时钟周期宽度，不提高分频时钟频率的前提下，使数字脉宽调制器控制的有效输出精度得到最大N位的提高。本发明适用于滞后系统的快速反馈控制，在脉宽调制器的分频时钟无法提高的前提下，同时满足精度与速度要求，具有较强的通用性和适用性。
附图说明
图1为利用本发明提供的计数器型数字脉宽调制器的工作流程示意图；
图2为利用本发明提供的提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法将数字脉宽信号提高3位有效位的波形输出过程示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作进一步详细说明。如图1所示，利用本发明提供的方法的计数器型数字脉宽调制器，是通过添加了一个分频时钟周期宽度模块来实现提高有效输出精度的。具体实现过程将结合图2进行说明。图2为利用本发明提供的提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法将数字脉宽信号提高3位有效位的波形输出过程示意图。过程包括如下步骤：
首先，确定输入所述计数器型数字脉宽调制器的分频时钟周期宽度、PWM周期数值和占空比数值。图2中占空比数值为50％，即输出的PWM波中高电平波和低电平波各占一半。
其次，确定所述计数器型数字脉宽调制器输出的一组PWM波包括2N个，所述PWM波的占空比的数字信号为M+N位，其中，M为高位，N为低位，所述占空比的大小取M位。结合图2，N为3，M为8，输出的一组PWM波包括8个完整的波形，一个完整的波形包括一个高电平和一个低电平脉冲波。图2中示出了两组完整的PWM输出波。占空比的数字信号在利用本发明提供的方法前为8位，即输出精度为8位。利用本发明提供的方法后，目标是将输出精度提高3位，即输出精度达到11位。
然后，确定与所述低位N的取值相对应的所有的数字量。N取值为3，按照二进制数，共对应有8个数字量，分别为000,001,010,011,100,101,110,111。当数字量取值为000时，保持原脉宽调制信号输出，输出的精度仍为8位。
最后，控制所述计数器型数字脉宽调制器输出的每组PWM波形的占空比大小随所述数字量的增加依次增加一个分频时钟周期宽度，使低N位数字从0变化到2N-1时，所述计数器型数字脉宽调制器所控制的主电路输出电压依次增加了0到2N-1/2N个分频时钟周期宽度对应的输出电压值。当数字量为001时，如图2所示，在每组PWM输出波的周期中均添加了一个分频时钟周期，表示为图2中加粗的线。需要说明的是，因为一组PWM输出波周期＝一个分频时钟周期×2N，所以，图中加粗的宽度为示例性的。由于该计数器型数字脉宽调制器输出的PWM波控制热电制冷器驱动的主电路的通断，当如图2所示，占空比低三位的数字量为001时，由于每8个PWM波中就有1个PWM波增加了1个分频时钟周期，因此，主电路输出的电压平均值增加了1/8个分频时钟所对应的输出电压值，将以前只能控制主电路输出1个分频时钟周期的电压值细分到了1/8，等效于有效输出精度是原来的1/8。同理，当数字信号分别为010、001……111时，主电路的输出电压依次增加2/8，3/8，……7/8个分频时钟周期对应的输出电压值。
综上所述，本发明提供的方法中，低N位数字信号决定了对计数器型数字脉宽调制器输出的每2N个相同占空比的一组脉宽调制(PWM)添加一个分频时钟周期的宽度。使数字脉宽调制器控制的主电路输出电压精度变为1/2N个分频时钟周期宽度对应的输出电压值，从而使数字脉宽调制器控制的有效输出精度得到最大N位的提高。在不提高分频时钟频率的前提下，提高了数字脉宽调制器的有效输出精度，并且适用于滞后系统的快速反馈控制，可同时满足精度与速度的要求，具有较强的通用性和适用性。
在上述技术方案中，对低N位数字信号控制添加一个分频时钟周期的宽度的方式做出优化。具体是指：调整计数器型数字脉宽调制器的同步计数器的计数方式，使得当计数值小于所述占空比数值+1时，输出每组PWM波形的高电平，当计数值大于所述占空比数值+1时，输出每组PWM波形的低电平。按照上述优化方案的添加方式，结合图2，当同步计数器计数值小于129时输出高电平，大于129时，输出低电平。当低3位数字量为010时，在输出的每8个PWM波形中，分别将第1、5个PWM波高电平增加一个分频时钟周期宽度。同理，当低3位数字量从011到111变化时，在输出的每8个PWM波形中相应位置，分别将PWM波高电平增加一个分频时钟周期宽度。最终按照图2所示的波形输出。优化后，数字脉宽调制信号控制的主电路的稳定度较高，有利于提升控制精度。
在上述技术方案中，所产生的计数器型数字脉宽调制信号有效位宽等于原信号位宽加上N。结合图2，即有效位宽从8位变成11位。
需要指出的是，基于本发明提供的方法，所能提高的有效输出精度不能无限增加，当数字脉宽调制器控制的有效输出精度提高到原信号的1/2N时，输出PWM的等效控制带宽会减小到原PWM信号的1/2N，在实际情况中，占空比信号增加N位受到带宽要求限制。受不同系统带宽的具体要求，N不能无限增大，通常N可以取2或者3。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法，其特征在于，包括：
确定输入所述计数器型数字脉宽调制器的分频时钟周期宽度、PWM期数值和占空比数值；
确定所述计数器型数字脉宽调制器输出的一组PWM波包括2N个，所述PWM波的占空比的数字信号为M+N位，其中，M为高位，N为低位，所述占空比的大小取M位；
确定与所述低位N的取值相对应的所有的数字量；
控制所述计数器型数字脉宽调制器输出的每组PWM波形的占空比大小随所述数字量的增加依次增加一个分频时钟周期宽度，使低N位数字从0变化到2N-1时，所述计数器型数字脉宽调制器所控制的主电路输出电压依次增加了0到2N-1/2N个分频时钟周期宽度对应的输出电压值。
2.根据权利要求1所述的提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法，其特征在于，调整所述计数器型数字脉宽调制器的同步计数器的计数方式，使得当计数值小于所述占空比数值+1时，输出每组PWM波形的高电平，当计数值大于所述占空比数值+1时，输出每组PWM波形的低电平。
3.根据权利要求1所述提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法，其特征在于，所产生的计数器型数字脉宽调制信号有效位宽等于原信号位宽加上N。
4.根据权利要求1所述的提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法，其特征在于，所产生的数字脉宽调制信号有效输出精度等于原数字脉宽调制信号精度乘以1/2N。
5.根据权利要求1所述的提高计数器型数字脉宽调制器输出精度的方法，其特征在于，占空比信号低N位的取值为2或3。
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