AVR單片機(jī)定時器輸出PWM的設(shè)計(jì)及注意問題

一、定時/計(jì)數(shù)器PWM設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　
根據(jù)PWM的特點(diǎn)，在使用ATmega128的定時/計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)輸出PWM時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
　　1.首先應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況，確定需要輸出的PWM頻率范圍，這個頻率與控制的對象有關(guān)。如輸出PWM波用于控制燈的亮度，由于人眼不能分辨42Hz以上的頻率，所以PWM的頻率應(yīng)高于42Hz，否則人眼會察覺到燈的閃爍。
　　2.然后根據(jù)需要PWM的頻率范圍確定ATmega128定時/計(jì)數(shù)器的PWM工作方式。AVR定時/計(jì)數(shù)器的PWM模式可以分成快速PWM和頻率(相位)調(diào)整PWM兩大類。
　　3.快速PWM可以的到比較高頻率的PWM輸出，但占空比的調(diào)節(jié)精度稍微差一些。此時計(jì)數(shù)器僅工作在單程正向計(jì)數(shù)方式，計(jì)數(shù)器的上限值決定PWM的頻率，而比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小。PWM頻率的計(jì)算公式為：
　　PWM頻率 = 系統(tǒng)時鐘頻率/(分頻系數(shù)*(1+計(jì)數(shù)器上限值))
　　4.快速PWM模式適合要求輸出PWM頻率較高，但頻率固定，占空比調(diào)節(jié)精度要求不高的應(yīng)用。
　　5.頻率(相位)調(diào)整PWM模式的占空比調(diào)節(jié)精度高，但輸出頻率比較低，因?yàn)榇藭r計(jì)數(shù)器僅工作在雙向計(jì)數(shù)方式。同樣計(jì)數(shù)器的上限值決定了PWM的頻率，比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小。PWM頻率的計(jì)算公式為：
　　PWM頻率 = 系統(tǒng)時鐘頻率/(分頻系數(shù)*2*計(jì)數(shù)器上限值))
　　6.相位調(diào)整PWM模式適合要求輸出PWM頻率較低，但頻率固定，占空比調(diào)節(jié)精度要求高的應(yīng)用。當(dāng)調(diào)整占空比時，PWM的相位也相應(yīng)的跟著變化(Phase Correct)。
　　7.頻率和相位調(diào)整PWM模式適合要求輸出PWM頻率較低，輸出頻率需要變化，占空比調(diào)節(jié)精度要求高的應(yīng)用。此時應(yīng)注意：不僅調(diào)整占空比時，PWM的相位會相應(yīng)的跟著變化;而一但改變計(jì)數(shù)器上限值，即改變PWM的輸出頻率時，會使PWM的占空比和相位都相應(yīng)的跟著變化(Phase And Frequency Correct)。
　　8.在PWM方式中，計(jì)數(shù)器的上限值有固定的0xFF(8位T/C);0xFF、0x1FF、0x3FF(16位T/C)。或由用戶設(shè)定的0x0000-0xFFFF，設(shè)定值在16位T/C的ICP或OCRA寄存器中。而比較匹配寄存器的值與計(jì)數(shù)器上限值之比即為占空比。
　　
二、 PWM應(yīng)用參考設(shè)計(jì)
　　
下面給出一個設(shè)計(jì)示例，在示例中使用PWM方式來產(chǎn)生一個1KHz左右的正弦波，幅度為0-Vcc/2。
　　
首先按照下面的公式建立一個正弦波樣本表，樣本表將一個正弦波周期分為128個點(diǎn)，每點(diǎn)按7位量化(127對應(yīng)最高幅值Vcc/2)：
　　F(X) = 64 + 63 * Sin(2πx/180) X∈[0…127]
　　
如果在一個正弦波周期中采用128個樣點(diǎn)，那么對應(yīng)1KHz的正弦波PWM的頻率為128KHz。實(shí)際上，按照采樣頻率至少為信號頻率的2倍的取樣定理來計(jì)算，PWM的頻率的理論值為2KHz即可。考慮盡量提高PWM的輸出精度，實(shí)際設(shè)計(jì)使用PWM的頻率為16KHz，即一個正弦波周期(1KHz)中輸出16個正弦波樣本值。這意味著在128點(diǎn)的正弦波樣本表中，每隔8點(diǎn)取出一點(diǎn)作為PWM的輸出。
　　
程序中使用ATmega128的8位T/C0，工作模式為相位調(diào)整PWM模式輸出，系統(tǒng)時鐘為8MHz，分頻系數(shù)為1，其可以產(chǎn)生最高PWM頻率為： 8000000Hz / 510 = 15686Hz。每16次輸出構(gòu)成一個周期正弦波，正弦波的頻率為980.4Hz。PWM由OC0(PB4)引腳輸出。參考程序如下(ICCAVR)。
　　//ICC-AVR Application Builder : 2004-08
　　// Target : M128
　　// Crystal: 8.0000Mhz
　　#Include
　　#Include
　　#Pragma Data:code
　　// 128點(diǎn)正弦波樣本表
　　Const Unsigned Char Auc_SinParam[128] = {
　　64,67,70,73,76,79,82,85,88,91,94,96,99,102,104,106,109,111,113,115,117,118,120,121,
　　123,124,125,126,126,127,127,127,127,127,127,127,126,126,125,124,123,121,120,118,
　　117,115,113,111,109,106,104,102,99,96,94,91,88,85,82,79,76,73,70,67,64,60,57,54,51,48,
　　45,42,39,36,33,31,28,25,23,21,18,16,14,12,10,9,7,6,4,3,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,2,3,4,6,
　　7,9,10,12,14,16,18,21,23,25,28,31,33,36,39,42,45,48,51,54,57,60};
　　#Pragma Data:data
　　Unsigned Char X_SW = 8,X_LUT = 0;
　　#Pragma Interrupt_handler Timer0_ovf_isr:17
　　Void Timer0_ovf_isr(Void)
　　{
　　X_LUT += X_SW; // 新樣點(diǎn)指針
　　If (X_LUT > 127) X_LUT -= 128; // 樣點(diǎn)指針調(diào)整
　　OCR0 = Auc_SinParam[X_LUT]; // 取樣點(diǎn)指針到比較匹配寄存器
　　}
　　Void Main(Void)
　　{
　　DDRB |= 0x10; // PB4(OC0)輸出
　　TCCR0 = 0x71; // 相位調(diào)整PWM模式，分頻系數(shù)=1，正向控制OC0
　　TIMSK = 0x01; // T/C0溢出中斷允許
　　SEI(); // 使能全局中斷
　　While(1)
　　{……};
　　}
　　
每次計(jì)數(shù)器溢出中斷的服務(wù)中取出一個正弦波的樣點(diǎn)值到比較匹配寄存器中，用于調(diào)整下一個PWM的脈沖寬度，這樣在PB4引腳上輸出了按正弦波調(diào)制的PWM方波。當(dāng)PB4的輸出通過一個低通濾波器后，便得到一個980.4Hz的正弦波了。如要得到更精確的1KHz的正弦波，可使用定時/計(jì)數(shù)器T/C1，選擇工作模式10，設(shè)置ICR1=250為計(jì)數(shù)器的上限值。