DE102007043340A1

DE102007043340A1 - Erhöhung der PWM-Auflösung durch Modulation

Info

Publication number: DE102007043340A1
Application number: DE102007043340A
Authority: DE
Inventors: Horst Diewald
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: US20090067487A1; EP2201683A1; WO2009034146A1; DE102007043340B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten (PWM-)Signals, das das Bestimmen einer PWM-Periode und/oder einer Pulsbreite des pulsbreitenmodulierten Signals durch Zählen der Anzahl von Taktzyklen eines Referenzsignals und durch Umschalten des pulsbreitenmodulierten Signals, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen erreicht ist, umfasst, wobei das Referenztaktsignal Taktzyklen mit zumindest einer ersten Taktperiode und einer zweiten Taktperiode umfasst und sich die erste Taktperiode von der zweiten Taktperiode um einen Zeitabstand unterscheidet, der wesentlich kleiner als sowohl die Hälfte der ersten Taktperiode als auch die Hälfte der zweiten Taktperiode ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signals und eine elektronische Vorrichtung, die eine Schaltung zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signals umfasst.
Pulsbreitenmodulation (PWM) ist ein weit verbreitetes Signalmodulationsverfahren, das für alle möglichen Arten von Steuer- und Datenübertragungsanwendungen angewendet wird. Diese Anwendungen umfassen zum Beispiel Schaltnetzteile, digitale Motorsteuerungen und viele andere Anwendungen. Das pulsbreitenmodulierte Signal wechselt zwischen einem hohen Pegel und einem niedrigen Pegel, wobei die Pulsbreite die Zeitspanne darstellt, in der das Signal eingeschaltet (bzw. in einem Zustand mit hohem Pegel) ist. Die Zeitspanne zwischen zwei ansteigenden Flanken des pulsbreitenmodulierten Signals wird als Periode des pulsbreitenmodulierten Signals bezeichnet. Das Verhältnis zwischen der Pulsbreite und der Periode stellt eine wichtige Maßeinheit für die pulsbreitenmodulierten Signale dar. Wenn ein pulsbreitenmoduliertes Signal verwendet wird, wird das Verhältnis zwischen der Pulsbreite und der Periode verändert, um eine bestimmte Steueraufgabe durchzuführen oder um eine spezifische Information in das Signal aufzunehmen. Es gibt grundsätzlich drei Arten der Anpassung des Verhältnisses zwischen Pulsbreite und Periode, nämlich Vergrößern oder Verkleinern der Pulsbreite, Vergrößern oder Verkleinern der Periode oder Ändern von sowohl Periode und Pulsbreite. Die Schrittgröße bzw. Auflösung, mit der die Pulsbreite und die Periode angepasst werden können, ist eine wichtige Eigenschaft des Bereichs und der Genauigkeit des pulsbreitenmodulierten Signals. Die maximale Genauigkeit der Auflösung wird zum Beispiel durch die technischen Möglichkeiten der verfügbaren Technologie, die Eigenschaften der verfügbaren Bauelemente und durch wirtschaftliche Überlegungen in Bezug auf Komplexität und Kosten einer bestimmten Vorrichtung begrenzt. Die Periode bzw. PWM-Frequenz werden im Grunde durch eine bestimmte Anwendung und durch Kriterien wie ein benötigter Frequenzbereich, eine benötigte Filterung und entsprechende Bauelement oder ein benötigtes Ansprechverhalten auf sich ändernde Systembedingungen bestimmt. Die Pulsbreite wird als Teil des Tastverhältnisses und deren benötigter Auflösung im Grunde basierend auf der Systemgenauigkeit festgelegt. Die benötigte Auflösung legt die Anzahl von Schritten fest, in denen die Pulsbreite ausgewählt werden kann, oder anders ausgedrückt, sie legt die Mindeständerung der Pulsbreite fest. Angesichts der oben erwähnten Beschränkungen konzipiert der Entwickler normalerweise einen bestimmten Schaltkreis zur Bereitstellung einer benötigten Auflösung oder anderen Eigenschaft. Wenn die PWM-Frequenz zum Beispiel 44 kHz beträgt und eine Auflösung von 8 Bit benötigt wird, muss der Systemtakt höher als 44 kHz·2⁸ = 11264 kHz sein. Wie aus diesem Beispiel ersichtlich ist, muss der benötigte Systemtakt wesentlich höher als die PWM-Frequenz sein, um für eine vorgegebene Frequenz des PWM-Signals eine bestimmte Auflösung bereitzustellen. Wenn die Pulsbreitenauflösung zum Beispiel 200 ns betragen muss und die PWM Frequenz 20 kHz beträgt, kann die Länge des pulsbreitenmodulierten Signals im Hinblick auf die Schritte wie folgt berechnet werden: Länge_PWM = f_PWM × t_Pulsbreite = 1/(20·10³ × 200·10^–9) = 1/(4·10^–3) = 250 [Schritte]. Die vorhergehenden Beispiele betreffen eher herkömmliche Ansätze, die in heutigen Halbleitertechnologien leicht realisiert werden können. Das folgende Beispiel stellt jedoch wesentlich höhere Bedingungen an die Technologie und ergibt eine Auflösung von 1 ns. Wenn die PWM-Frequenz zum Beispiel 100 kHz beträgt und die Auflösung 10 Hz beträgt, muss der Systemtakt gleich oder höher als 1000 MHz (= 1 GHz) sein. Bis zu 1 GHz hohe Frequenzen sind sogar noch schwieriger realisierbar und sind von einem wirtschaftlichen Blickwinkel aus für die meisten Anwendungen im Allgemeinen nicht akzeptabel.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signals und eine entsprechende elektronische Vorrichtung bereitzustellen, die das Verfahren anwendet und die technischen Anforderungen vereinfacht und trotzdem eine hohe Auflösung für pulsbreitenmodulierte Signale bereitstellt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signals bereitgestellt, das die Schritte des Bestimmens einer Periode und/oder einer Pulsbreite des pulsbreitenmodulierten Signals durch Zählen der Anzahl von Taktzyklen eines Referenztaktsignals und durch Umschalten des pulsbreitenmodulierten Signals, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen erreicht ist, umfasst. Des Weiteren umfasst das Referenztaktsignal Taktzyklen mit zumindest einer ersten Taktperiode und einer zweiten Taktperiode, und die erste Taktperiode unterscheidet sich von der zweiten Taktperiode um einen Zeitabstand, der wesentlich kleiner als sowohl die Hälfte der ersten Taktperiode als auch die Hälfte der zweiten Taktperiode ist. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass die meisten Anwendungen wie Schaltnetzteile, Lampenballaste („lamp ballasts") bzw. digitale Audioverstärker modulierte PWM-Signale so lange verwenden können, wie die Modulations-PWM-Frequenz hoch genug ist, um z. B. durch Filterung auf einen akzeptablen Pegel verringert zu werden. Das in diesen Systemen verwendete Filter beseitigt normalerweise die PWM- bzw. Modulationsfrequenz, die für ein Erreichen einer hohen Auflösung verwendet wird, mit wesentlich niedrigeren Geschwindigkeits- und Leistungsanforderungen im Vergleich zu dem Standard-PWM-Schema. Entsprechend kann ein Referenztakt verwendet werden, der auf zwei verschiedenen Taktfrequenzen oder zwei verschiedenen Taktzyklen (dem ersten Taktzyklus und dem zweiten Taktzyklus), die zwei verschiedene Taktperioden haben, basiert. Die Differenz zwischen den Taktperioden ist im Vergleich zu der Taktperiode einer der beiden Taktsignale äußerst gering. Durch Zählen der Anzahl von Taktzyklen des Referenztakts wird ein bestimmtes Zeitintervall festgelegt, nach dem das pulsbreitenmodulierte Signal von einem Pegel auf den anderen umgeschaltet werden kann. Die Änderung der Grundtaktperiode des Referenztakts ändert im Grunde die zum Erreichen einer bestimmten Anzahl von Taktzyklen benötigte Zeitspanne. Wenn sich die beiden Taktperioden – die erste Taktperiode und die zweite Taktperiode – um ein gewisses Δt unterscheiden, kann der Referenztakt aus einem bestimmten Ablauf von Taktzyklen, die entweder die erste Taktperiode oder die zweite Taktperiode aufweisen, bestehen, so dass eine spezifische Pulsbreite und eine spezifische Periode des pulsbreitenmodulierten Signals bereitgestellt werden. Um das Pulsbreiten/Perioden-Verhältnis zu vergrößern, kann man die Anzahl von Taktzyklen, die die zweite Taktperiode aufweisen, erhöhen und die Anzahl von Taktzyklen, die die erste Taktperiode aufweisen, verringern. Für jeden Ersatz eines Taktzyklus' mit der ersten Taktperiode durch einen Taktzyklus mit der zweiten Taktperiode wird die Länge über alle Taktzyklen hinweg um Δt erhöht (oder verringert). Es gibt viele Arten, den Mechanismus zum Wechseln zwischen Taktzyklen mit der ersten Taktperiode und Taktzyklen mit der zweiten Periode zu realisieren. Allgemein kann eine Takterzeugungsstufe durch ein analoges oder ein digitales Eingangssignal zwischen zwei Taktfrequenzen umgeschaltet werden. So lange der Schaltvorgang zwischen den beiden Frequenzen schnell genug ist, realisiert das zum Zählen der Anzahl von Taktzyklen des Referenztakts verwendete Zählmittel den Schaltvorgang nicht. Das Referenztaktsignal kann ebenfalls aus zwei verschiedenen Taktsignalen bestehen, die untenstehend ausführlicher erläutert werden. Wenn die Differenz zwischen den beiden Taktperioden Δt sehr klein gewählt wird, kann eine äußerst feine Auflösung bereitgestellt werden, obwohl die Grundtaktperioden (die erste und die zweite Taktperiode) des Referenztaktsignals wesentlich größer sind. Wenn die erste Taktperiode zum Beispiel 20 ns beträgt und die zweite Taktperiode 21 ns beträgt, beträgt die Differenz zwischen den beiden Taktperioden Δt lediglich 1 ns. Die durch diese Konfiguration erreichbare Auflösung beträgt 1 ns, obwohl der Referenztakt um den Faktor 20 verringert wird. Entsprechend werden die Anforderungen an die Technologie und insbesondere an die Geschwindigkeit der zur Realisierung der Schaltung angewendeten spezifischen Halbleitertechnologie erheblich verringert. Da es wesentlich einfacher ist, zwei Perioden mit einem Zeitdelta von 1 ns zu erzeugen als die Taktfrequenz mit 1 GHz zu verwenden, werden die technologischen Grenzen überwunden. Des Weiteren kann eine erhebliche Menge an Leistung eingespart werden, da es kein Taktsignal mit einer hohen Frequenz von bis zu 1/Δt gibt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner das Erzeugen eines ersten Taktsignals, das die erste Taktperiode aufweist, das Erzeugen eines zweiten Signals, das die zweite Taktperiode aufweist, und das Bilden des Referenztaktsignals unter Verwendung zumindest eines Taktzyklus' sowohl des ersten Taktsignals als auch eines Taktzyklus' des zweiten Taktsignals. Entsprechend gibt es zwei verschiedene Taktsignale, und das Referenztaktsignal wird durch Umschalten zwischen den Taktsignalen gebildet, um Taktzyklen mit entweder der ersten Taktperiode oder der zweiten Taktperiode bereitzustellen. Wenn das Umschalten zwischen zwei konstanten Taktsignalen anstelle der Einstellung eines einzelnen Taktsignals einfach und weniger komplex zu realisieren ist, ist dieser Ansatz vorzuziehen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden zumindest ein Taktzyklus mit der ersten Periode und ein Taktzyklus mit der zweiten Periode innerhalb einer Periode des pulsbreitenmodulierten Signals verwendet. Die Bildung des Referenztaktsignals basierend auf zwei verschiedenen Taktsignalen mit unterschiedlichen Taktfrequenzen kann über mehrere Perioden oder eine einzelne Periode des pulsbreitenmodulierten Signals durchgeführt werden. Die Anzahl von Taktzyklen mit der ersten Taktperiode und die Anzahl von Taktzyklen mit der zweiten Taktperiode können über eine Mehrzahl von Perioden des pulsbreitenmodulierten Signals selektiv und variabel ausgewählt werden, so dass die Pulsbreite des pulsbreitenmodulierten Signals über eine Mehrzahl von Taktperioden des pulsbreitenmodulierten Signals gemittelt wird. Die Anzahl von Taktzyklen mit der ersten Taktperiode und die Anzahl von Taktzyklen mit der zweiten Taktperiode kann über eine Modulationsperiode auch periodisch verändert werden. All dies betrifft die vielen verschiedenen Arten des Bildens von Taktzyklen mit einer ersten Taktperiode und von Taktzyklen mit der zweiten Taktperiode. Die Anzahl von Taktzyklen mit der ersten oder der zweiten Taktperiode, die innerhalb einer Periode des pulsbreitenmodulierten Signals enthalten sein kann, ist begrenzt. Entsprechend ist der Bereich, über den die spezifische Auflösung im Grunde von der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Taktperiode abhängt, ebenfalls begrenzt. Folglich kann es notwendig sein, über mehrere Perioden zu mitteln, um spezifische Schritte oder eine spezifische Auflösung für die Pulsbreite zu realisieren. Im Grunde ist es möglich, die Periode des PWM-Signals unter Verwendung einer konstanten Pulsbreite zu modulieren, die Pulsbreite unter Beibehaltung einer konstanten Periode zu modulieren, oder sowohl die Periode als auch die Pulsbreite zu modulieren. All dies kann ebenfalls über einzelne oder mehrere Perioden des pulsbreitenmodulierten Signals durchgeführt werden, um eine bestimmte Pulsbreite herauszumitteln. Man kann zum Beispiel die verschiedenen Taktperioden der beiden Taktsignale so bilden, dass eine spezifische Länge einer Pulsbreite erreicht wird. In dieser Situation wird die vollständige Taktperiode ausreichend lange gewählt, so dass das Verhältnis zwischen der Pulsbreite und der Zeitspanne, in der der Puls ausgeschaltet ist, mit einem spezifischen Faktor gemittelt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die eine Schaltung zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signals umfasst. Die Schaltung umfasst einen Zähler, der so eingerichtet ist, dass er als Reaktion auf ein Referenztaktsignal erhöht werden kann, einen Komparator für das Vergleichen des Zählstands des Zählers mit einer vorbestimmten Zahl, eine Logikschaltung, die mit dem Zählerausgang und dem Komparator gekoppelt ist, um das pulsbreitenmodulierte Signal zu erzeugen, und ein Schaltmittel zum Umschalten der Taktzyklen des Referenztaktsignals zwischen ersten Taktzyklen mit einer ersten Taktperiode und zweiten Taktzyklen mit einer zweiten Taktperiode. Die erste Taktperiode und die zweite Taktperiode unterscheiden sich voneinander um einen Zeitabstand, der wesentlich kleiner als sowohl die Hälfte der ersten Taktperiode als auch die Hälfte der zweiten Taktperiode ist. Des Weiteren kann die elektronische Vorrichtung ein Steuermittel umfassen, das so eingerichtet ist, dass es den Schaltmechanismus steuern kann. Ebenso kann die elektronische Vorrichtung ein Mittel zum Erzeugen des ersten. Taktsignals mit der ersten Taktperiode und zum Erzeugen des zweiten Taktsignals mit der zweiten Taktperiode sowie ein Mittel zum Festsetzen der ersten Taktperiode und der zweiten Taktperiode derart, dass diese sich um den Zeitabstand unterscheiden, der wesentlich kleiner als sowohl die Hälfte der ersten Taktperiode als auch die Hälfte der zweiten Taktperiode ist, umfassen. Eine elektronische Vorrichtung, die wie obenstehend ausgeführt ist, kann das Verfahren gemäß der Erfindung anwenden, wodurch ein Mechanismus bereitgestellt wird, der die technischen Beschränkungen jeder beliebigen Technologie bezüglich Jitter, Phasenrauschen, Geschwindigkeit u. ä. überwindet.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
1 ein Schaubild und einen Signalverlauf, die das Grundprinzip von Pulsbreitenmodulation darstellen,
2 ein Beispiel einer auf einem Zähler basierenden PWM-Erzeugungsstufe,
3 einen Signalverlauf eines pulsbreitenmodulierten Signals, das die Modulationsperiode darstellt
4 ein Schaubild einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 Signalverläufe, die sich auf eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beziehen, und
6 einen Signalverlauf, der sich auf eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht.
1 zeigt ein grundlegendes Schaubild einer PWM-Erzeugungsstufe. Der Systemtakt f_Takt wird für einen in dem PWM-Schaubild nicht gezeigten internen Zähler verwendet. Der Zähler zählt die Flanken bzw. Taktzyklen des Systemtakts f_Takt und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal f_PWM mit einer bestimmten Pulsbreite t_on und einer Periode t_Periode. Wenn der interne Zähler in der PWM-Erzeugungsstufe PWM einen bestimmten Zählstand erreicht, bei dem es sich um eine vorbestimmte Zahl handelt, wird das Ausgangssignal von hoch auf niedrig umgeschaltet. Wenn die Periode des pulsbreitenmodulierten Signals t_Periode verstrichen ist, wird der Zähler zurückgesetzt und beginnt erneut mit dem Zählen der Taktzyklen des Systemtakts f_Takt. Um das Verhältnis zwischen der Pulsbreite t_on und der Periode t_Periode zu ändern, wird eine bestimmte Logik implementiert, um die vorbestimmte Zahl (z. B. den maximalen Taktzählstand) zu ändern, sowie zusätzliche Logik, um das entsprechende pulsbreitenmodulierte Ausgangssignal zu erzeugen. Typischerweise gibt es einen Komparator zum Vergleichen des Taktzählstands mit der vorbestimmten Zahl. Des Weiteren kann es einen zusätzlichen Komparator geben, der den Taktzählstand mit einer anderen Zahl vergleicht, die die Länge der PulsbreitenPeriode t_Periode darstellt.
2 zeigt ein vereinfachtes Schaubild, das die interne Schaltung darstellt, die in der in 1 gezeigten PWM-Stufe verwendet werden kann. Das Systemtaktsignal f_Takt wird einem Zähler ZÄHLER zugeführt, der durch entsprechende Signale SET und RESET gesetzt bzw. zurückgesetzt werden kann. Der Zählstand CNT des Zählers wird für jede Flanke (oder beide Flanken) des Systemtaktsignals f_Takt um 1 erhöht oder herabgesetzt und an einen Komparator COMP geleitet, der den Zählstand CNT mit einem Referenzwert REF vergleicht und gemäß dem Vergleichsergebnis ein Ausgangssignal f_PWM erzeugt. Der Zähler ZÄHLER kann vorwärts und rückwärts zählen, und der Referenzwert kann auch Null sein. Der Zähler ZÄHLER wird dazu verwendet, die Periode des PWM-Ausgangssignals und/oder die Pulsbreite des PWM-Signals zu bestimmen. Es können ebenso zwei Zähler und zwei Komparatoren bereitgestellt werden, um die Periode und die Pulsbreite festzulegen. In dem Komparator COMP kann eine zusätzliche Logikschaltung enthalten sein – und vorzugsweise ist eine solche enthalten – um ein korrektes pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal f_PWM bereitzustellen.
3 zeigt einen Signalverlauf, der eine typische Modulationsfolge eines pulsbreitenmodulierten Signals zeigt. Die Pulsbreiten t_on1, t_on2, t_on3, t_on4 und t_on5 werden verändert, während die Perioden t_Periode1, t_Periode2, t_Periode3, t_Periode4 und t_Periode5 konstant bleiben. Entsprechend wird das Verhältnis zwischen der Pulsbreite t_on und der PulsPeriode t_Periode über die gesamte Modulationsperiode t_{Modulationsperiode} verändert, um eine bestimmte Vorrichtung zu steuern oder einen bestimmten Informationsgehalt zu übertragen.
4 zeigt ein vereinfachtes Schaubild einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Entsprechend wird ein Frequenzsteuersignal FC zur Steuerung eines Oszillators oder einer ähnlichen Taktsignalerzeugungsstufe CG zur Erzeugung eines Systemtakts f_Takt verwendet. Der Systemtakt f_Takt wird der PWM-Stufe PWMS zugeführt, die ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal f_PWM erzeugt. Entsprechend kann die Frequenz des Systemtakts f_Takt durch das Steuersignal verändert werden, wodurch der interne Zähler der PWMS-Stufe verlangsamt oder beschleunigt wird. Die vorbestimmte Zahl, die ebenfalls intern in der PWMS-Stufe ist, wird gemäß der Frequenz, z. B. gemäß den für die Taktung des Zählers verwendeten Taktperioden des Systemtakts f_Takt, im Vergleich zu einem konstanten Systemtakt f_Takt entweder früher oder später erreicht. Entsprechend kann man Verhältnisse zwischen Pulsbreiten und Perioden mit einer höheren Auflösung erzeugen.
Der erste Takt kann zum Beispiel eine erste Taktperiode t_Zyklus1 = 20 ns haben, und die Taktperiode des zweiten Taktsignals kann t_Zyklus2 = 21 ns sein. Für eine Pulsbreite von t_on ≥ 400 ns ist eine nahtlose Auflösung von 1 ns möglich.
Die untere Grenze für t_on erhält man durch t_on ≥ (t_Zyklus1 ·t_Zyklus1)/(t_Zyklus2 – t_Zyklus1) = (20 ns·20 ns)/(21 ns – 20 ns) = 400 ns. Die Pulsbreite kann wie folgt gebildet werden: t_on = 7·t_Zyklus2 + 13·t_Zyklus1 = 7·21 ns + 13·20 ns = 407 ns. Für eine Pulsbreite von 408 ns kann man einen anderen Taktzyklus des ersten Takts t_Zyklus1 durch einen Taktzyklus des zweiten Takts t_Zyklus2 ersetzen, was die Pulsbreite t_on = 8·t_Zyklus2 + 12·t_Zyklus1 = 408 ns ergeben würde. Die vollständige Periode von einer ansteigenden Flanke zu einer anderen ansteigenden Flanke des pulsbreitenmodulierten Signals kann als restlicher Teil der Periode, von der die Pulsbreite t_on abgezogen wird, berechnet werden. Dies kann durch einen zweiten Zähler (wie den in 2 gezeigten) realisiert werden, dessen Zählstand immer unter Verwendung lediglich eines Taktsignals, z. B. des ersten Takts t_Zyklus mit der ersten Taktperiode t_Zyklus1, erhöht wird.
Wie in 5 gezeigt, kann man über mehrere Perioden des PWM-Signals integrieren, um Pulsbreiten zu erzeugen, die kürzere Längen darstellen als durch einfaches Kombinieren des ersten und des zweiten Taktsignals erreichbar ist. Wie auch bei dem vorhergehenden Beispiel kann die erste Taktperiode t_Zyklus1 = 20 ns sein, und die zweite Taktperiode kann t_Zyklus2 = 21 ns sein. Eine Pulsbreite von t_on = 116 ns kann durch eine Pulsbreite von t_on = 464 ns erreicht werden, wenn lediglich eine derartige Periode über eine Gesamtzeitspanne, die vier vollständigen Perioden entspricht, integriert wird (d. h. 464 ns = {121 ns + 121 ns + 101 ns + 121 ns). Entsprechend ist t_on = (5·t_Zyklus1 + 1·t_Zyklus2) + (5·t_Zyklus1 + 1· t_Zyklus2) + (4·t_Zyklus1 + 1·t_Zyklus2) + (5·t_Zyklus1 + 1·t_Zyklus2) = 19·20 ns + 4·21 ns = 464 ns. Für die Festlegung der Pulsbreite kann man auch mehr als zwei einzelne Taktfrequenzen (Taktzyklen) verwenden. Das Modulationsschema kann die verschiedenen Frequenzen in einer Reihenfolge oder vermischt anwenden. Das Vermischen der Taktfrequenzen verringert den Fehler bzw. die Restwelligkeit des pulsbreitenmodulierten Signals.
Ein weiteres Beispiel für eine lange Modulationsperiode t_{Modulationsperiode} ist in 6 gezeigt. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pulsbreite t_on des PWM-Signals moduliert werden, während die PWM-Periode konstant gehalten wird. Ein Durchschnittspuls von 116 ns entspricht einer Gesamtpulsbreite von 2320 ns über 20 Perioden. t_on = 4·(6· t_Zyklus + 6·t_Zyklus +5·t_Zyklus1 + 6·t_Zyklus + 6·t_Zyklus) = 4·(6 + 6 + 5 + 6 + 6)·t_Zyklus = 16·6·20 ns + 4·5·20 ns = 2320 ns.
Durch Verwendung einer langen (mehrfachen) Modulationsperiode wird die Verwendung von lediglich einer Taktperiode anstelle von zweien ermöglicht. Die unterschiedliche t_on pro Periode summiert sich zu einer besseren durchschnittlichen Auflösung als mit der Taktperiode möglich ist. Das Beispiel zeigt eine durchschnittliche t_on von 116 ms, die mit einer einzelnen 20 ns-Taktperiode niemals realisierbar ist.
Die Formel, um die Anzahl von t_Perioden innerhalb einer langen (mehrfachen) Modulationsperiode t_{Modulationsperiode}, die für die Auflösung t_Auflösung = t_Zyklus2 – t_Zyklus1 benötigt werden, zu erhalten, lautet t_Zyklus1/(t_Zyklus2 – t_Zyklus1).

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten (PWM-)Signals, umfassend: Bestimmen einer PWM-Periode und/oder einer Pulsbreite des pulsbreitenmodulierten Signals durch Zählen einer Anzahl von Taktzyklen eines Referenztaktsignals und durch Umschalten des pulsbreitenmodulierten Signals, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen erreicht ist, wobei das Referenztaktsignal Taktzyklen mit zumindest einer ersten Taktperiode und einer zweiten Taktperiode umfasst und sich die erste Taktperiode von der zweiten Taktperiode um einen Zeitabstand unterscheidet, der wesentlich kleiner als sowohl die Hälfte der ersten Taktperiode als auch die Hälfte der zweiten Taktperiode ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend: Erzeugen eines ersten Taktsignals, das die erste Taktperiode aufweist, Erzeugen eines zweiten Signals, das die zweite Taktperiode aufweist, und Bilden des Referenztaktsignals unter Verwendung zumindest eines Taktzyklus sowohl des ersten Taktsignals als auch eines Taktzyklus' des zweiten Taktsignals.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest ein Taktzyklus mit der ersten Periode und ein Taktzyklus mit der zweiten Periode innerhalb einer Periode des pulsbreitenmodulierten Signals verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl von Taktzyklen mit der ersten Taktperiode und die Anzahl von Taktzyklen mit der zweiten Taktperiode über eine Mehrzahl von PWM-Perioden des pulsbreitenmodulierten Signals selektiv und variabel ausgewählt werden, so dass die Pulsbreite des pulsbreitenmodulierten Signals über eine Mehrzahl von PWM-Perioden des pulsbreitenmodulierten Signals gemittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl von Taktzyklen mit der ersten Taktperiode und die Anzahl von Taktzyklen mit der zweiten Taktperiode über eine Modulationsperiode Periodeisch verändert werden.
Elektronische Vorrichtung, einschließlich einer Schaltung zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signals, wobei die Schaltung umfasst: einen Zähler, der so eingerichtet ist, dass er als Reaktion auf ein Referenztaktsignal erhöht wird, einen Komparator zum Vergleichen des Zählstands des Zählers mit einer vorbestimmten Zahl, eine Logikschaltung, die mit dem Zählerausgang und dem Komparator gekoppelt ist, um das pulsbreitenmodulierte Signal zu erzeugen, ein Schaltmittel zum Umschalten der Taktzyklen des Referenztaktsignals zwischen ersten Taktzyklen mit einer ersten Taktperiode und zweiten Taktzyklen mit einer zweiten Taktperiode, so dass sich die erste Taktperiode und die zweite Taktperiode voneinander um einen Zeitabstand unterscheiden, der wesentlich kleiner als sowohl die Hälfte der ersten Taktperiode als auch die Hälfte der zweiten Taktperiode ist, und ein Steuermittel, das so eingerichtet ist, dass es den Schaltmechanismus steuern kann.
Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 6, ferner umfassend ein Mittel zum Festsetzen der ersten Taktperiode und der zweiten Taktperiode derart, dass sie sich voneinander um den Zeitabstand unterscheiden, der wesentlich kleiner als sowohl die Hälfte der ersten Taktperiode als auch die Hälfte der zweiten Taktperiode ist.
Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, umfassend ein Mittel zum Erzeugen eines ersten Taktsignals mit der ersten Taktperiode und zum Erzeugen eines zweiten Taktsignals mit der zweiten Taktperiode.