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PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）

创作时间:

作者:

@小白创作中心

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/2301_79695216/article/details/145166410

PWM（脉冲宽度调制）是一种利用数字输出引脚来模拟模拟信号的技术，在电子电路和控制系统中应用广泛。它通过调节一系列固定频率脉冲的占空比，即高电平时间与整个周期时间的比例，从而模拟出连续的模拟信号。PWM技术在电机控制、LED调光、电源管理等领域都有广泛应用。

概述

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种利用数字输出引脚来模拟模拟信号的技术，在电子电路和控制系统中应用广泛。

基本概念：

频率（Frequency）：指定一秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，即一秒钟内PWM周期的数量。
占空比（Duty Cycle）：一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例。占空比的大小决定了PWM等效出来的模拟电压的大小。
分辨率（Resolution）：占空比变化的细腻程度，即占空比变化的快慢。

工作原理：

PWM（脉冲宽度调制）是一种通过改变脉冲的宽度来控制模拟电路的有效技术。它的核心在于调节一系列固定频率脉冲的占空比，即高电平时间与整个周期时间的比例，从而模拟出连续的模拟信号。

优点：

抗干扰能力强：PWM信号的数字特性使其在传输过程中对噪声和干扰具有较强的免疫力，能够在一定程度上保证信号的准确传输。
控制简单：只需改变PWM信号的占空比即可实现对被控对象的调节，控制逻辑简单，易于实现。

缺点：

谐波干扰：PWM信号是一种方波信号，含有丰富的高次谐波。这些谐波可能会对周围的电子设备产生电磁干扰，需要采取滤波等措施来抑制。
精度受限：PWM信号的精度受到微控制器时钟精度、定时器分辨率等因素的影响。在一些对模拟信号精度要求极高的场合，PWM模拟的模拟信号可能无法满足要求。

应用场景：

电机控制：在直流电机调速中，PWM信号可以控制电机的转速。当PWM信号占空比增大时，电机获得的平均电压增大，转速加快；占空比减小时，转速降低。通过调节PWM信号的占空比，可以实现对电机转速的精确控制
LED调光：对于LED灯，PWM信号可以调节其亮度。当PWM信号占空比较小时，LED大部分时间处于熄灭状态，亮度较暗；占空比增大时，LED亮的时间增多，亮度变亮。利用PWM调光不仅可以实现无级调光，还能有效降低功耗，常用于手机屏幕背光调节、室内照明调光等。
电源管理：在开关电源中，PWM信号用于控制开关管的通断，从而调节输出电压或电流。通过改变PWM信号的占空比，可以实现对电源输出功率的动态调节，提高电源的效率和稳定性
信号传输：在一些通信系统中，PWM信号可以用于传输模拟信号。将模拟信号转换为PWM信号后进行传输，接收端再将PWM信号还原为模拟信号，可以提高信号的抗干扰能力和传输距离，例如在无线传感器网络中传输温度、湿度等模拟信号。

I.MX6ull PWM介绍

PWM的功能模块图

时钟源选择（Clock Source Selection）：
ipg_clk
ipg_clk_highfreq
ipg_clk_32k：PWM模块可以选择的三种不同的时钟源。时钟源的选择通过一个多路选择器（Multiplexer）来实现，该多路选择器由CLKSRC控制信号来选择具体的时钟源。
预分频器（Prescaler）：
12-bit Prescaler：一个12位的预分频器，用于对输入时钟信号进行分频。预分频器的输出连接到16位计数器的时钟输入端。
Prescaler Clock Output (PCLK)：预分频器的输出时钟信号，用于驱动16位计数器。
计数器（Counter）：
16-bit Counter Register：一个16位的计数器，用于计数预分频器输出的时钟信号。计数器的值与周期寄存器和采样寄存器的值进行比较，以生成PWM信号。
周期寄存器（Period Register）：
16-bit Period Register：一个16位的周期寄存器，用于存储PWM信号的周期值。计数器的值与周期寄存器的值进行比较，以确定PWM信号的周期。
采样寄存器（Sample Register）：
16-bit Sample Register：一个16位的采样寄存器，用于存储PWM信号的占空比值。计数器的值与采样寄存器的值进行比较，以确定PWM信号的高电平持续时间。
比较器（Comparator）：
CMP：两个比较器，用于比较计数器的值与周期寄存器和采样寄存器的值。比较器的输出用于控制PWM信号的生成。
PWM信号生成：
CMPO和CMPC：比较器的输出信号，用于控制PWM信号的生成。
POUTC和POUTTC：PWM信号的输出控制信号。
CMPIE和CMP：中断使能和中断请求信号，用于在计数器值与周期寄存器或采样寄存器值相等时产生中断。
死区时间生成（Dead-Time Generation）：
R和S：用于生成死区时间的信号。
POUTC和POUTTC：带有死区时间的PWM信号输出。
输出使能（Output Enable）：
IROVE和IRQEN：输出使能信号，用于控制PWM信号的输出。
FIFO（First-In-First-Out）：
4x16 bit FIFO：一个4个16位的FIFO，用于存储PWM信号的采样值，以减少中断开销。

The following features characterize the PWM:

16-bit up-counter with clock source selection：16位向上计数器，具有时钟源选择功能
4 x 16 FIFO to minimize interrupt overhead：4 x 16 FIFO以减少中断开销
12-bit prescaler for division of clock：12位预分频器用于时钟分频
Sound and melody generation：声音和旋律生成
Active high or active low configured output：可配置为高电平有效或低电平有效的输出
Can be programmed to be active in low-power mode：可编程为在低功耗模式下激活
Can be programmed to be active in debug mode：可编程为在调试模式下激活
Interrupts at compare and rollover：在比较和溢出时产生中断

PWM Clocks

The clock that feeds the prescaler can be selected from:

High-frequency reference clock (ipg_clk_highfreq) pat_ref or CKIH：由时钟控制模块（Clock Control Module，简称CCM）提供的高频时钟。当外设时钟（ipg_clk）关闭时，该时钟应在低功耗模式下保持开启状态。因此，PWM（脉冲宽度调制）可以在低功耗模式下使用该时钟运行。在正常功能模式下，CCM将时钟同步到ahb_clk后提供该时钟，然后在低功耗模式下切换到未同步的版本。
Low-frequency reference clock (ipg_clk_32k, CKIL)：由CCM提供的32 KHz低频参考时钟。当ipg_clk关闭时，该时钟应在低功耗模式下保持开启状态。因此，PWM可以在低功耗模式下运行在此时钟上。CCM预期在正常功能模式下将此时钟同步到ahb_clk，然后在低功耗模式下切换到未同步版本。
Peripheral clock (ipg_clk)：该时钟应在正常操作中保持开启状态。在低功耗模式下，它可以被关闭。
Peripheral access clock (ipg_clk_s)：该时钟用于寄存器的读写操作。

时钟输入源由PWM控制寄存器字段PWM_CR[CLKSRC]确定。只有在PWM被禁用时，才应更改CLKSRC的值。控制寄存器中预分频器字段的值（PRESCALER）的变化会立即反映在其输出时钟频率上。

Functional Description

Operation

PWM的输出是一个可切换的信号，其频率和占空比可以通过编程相应的寄存器来调制。它有一个16位的向上计数器，计数从0x0000开始，直到计数器的值等于PWM_PR + 1。当匹配发生后，计数器被重置为0x0000

PWM Counter Register (PWMx_PWMCNR)计数寄存器

包含当前计数值，可以在任何时候读取而不会干扰计数器。

在计数周期开始时，PWMO引脚被设置为高电平（默认），计数器从0x0000开始向上计数。在每个预分频器时钟的计数中，都会将样本FIFO中的样本值进行比较。当样本值和计数值匹配时，PWMO信号被清零（默认）。计数器继续计数，直到周期匹配发生，然后另一个周期循环开始

当PWM被启用时，计数器开始运行，并根据周期寄存器和采样寄存器中的复位值生成输出信号。建议在启用PWM之前完成这些寄存器的编程设置

PWM Period Register (PWMx_PWMPR)周期寄存器

PWM周期寄存器（PWM_PWMPR）决定了PWM输出信号的周期。当计数器的值匹配PERIOD + 1时，计数器将被重置，以开始另一个周期。

PWM输出频率（PWMO，单位为赫兹）的计算公式为：

PWMO (Hz) = PCLK(Hz) / (period +2)

PCLK (Hz) 表示预分频器时钟频率

period 指的是PWM周期寄存器（PWM_PWMPR）中设置的周期值

由于向PWM_PWMPR写入新值而导致周期值发生变化时，计数器将被重置为零，并开始一个新的计数周期。

注意：当PWMx_PWMCR的REPEAT位被设置为非零值时，不允许将PWM_PWMPR设置为0xFFFF。

PERIOD字段：PERIOD周期值。PERIOD字段决定了计数周期的周期。计数器计数到[周期值]+1，然后重置为0x0000。

PWM Sample Register (PWMx_PWMSAR)采样寄存器

PWM采样寄存器（PWM_PWMSAR）是FIFO（先进先出队列）的输入端。16位字被加载到FIFO中。FIFO可以在任何时候写入数据，但只有在PWM被启用时才能读取数据。如果FIFO中的所有值都已经被使用，PWM将在最后设定的占空比设置下继续运行，直到FIFO被重新加载或PWM被禁用。当写入新值时，占空比会在当前周期结束后发生变化。

在采样寄存器中写入零值将导致PWMO输出信号始终保持低电平/高电平（如果POUTC = 00，则为低电平；如果POUTC = 01，则为高电平），并且不会生成任何输出波形。如果该寄存器中的值大于周期值PERIOD + 1，则输出将永远不会根据POUTC的值被设置/重置。

SAMPLE字段：SAMPLE样本值，这是4x16 FIFO的输入。SAMPLE字段中的值表示当前使用的样本值。

硬件复位将导致所有的PWM计数器和采样寄存器被清零，并且FIFO（先进先出队列）被清空。控制寄存器会显示FIFO为空，并且可以写入数据，同时PWM功能被禁用。软件复位会产生相同的效果，但是控制寄存器中的DBGEN（调试使能）、STOPEN（停止时使能）、DOZEN（低功耗模式使能）和WAITEN（等待模式使能）位的状态不会被影响。即使在PWM被禁用的状态下，也可以执行软件复位

PWM Control Register (PWMx_PWMCR)

PWM控制寄存器（PWM_PWMCR）用于配置PWM的操作设置。它包含用于时钟划分的预分频器。

FIFO

数字采样值可以作为16位字加载到脉冲宽度调制器中。可以使用控制寄存器中的BCTR和HCTR位来更改字节序。一个4字（16位）的FIFO（先进先出队列）可以最小化中断开销。当数据字的数量降至由控制寄存器中的FWM字段设定的水位线以下时，将生成一个可屏蔽的中断。

向PWM_SAR采样寄存器写入数据时，如果FIFO未满，该值将被存储到FIFO中。当FIFO已满时写入将导致状态寄存器中的FWE（FIFO写入错误）位被设置，并且FIFO的内容保持不变。FIFO可以在任何时候写入，但只有在PWM被启用时才能读取。PWM_SR[FIFOAV]字段显示当前FIFO中包含的数据字数量以及是否可以写入。

对采样寄存器进行读取操作将得到当前FIFO中的值，该值将被PWM用于生成输出信号。因此，对采样寄存器先写入然后读取可能会得到不同的值。

Enable Sequence for the PWM（使能PWM序列）

启用PWM（脉冲宽度调制器）应遵循的步骤序列：

在保持PWM禁用状态（PWMx_PWMCR[0]=0）的同时，为PWM控制寄存器（PWMx_PWMCR）配置所需的设置。
在PWM中断寄存器（PWMx_PWMIR）中启用所需的中断。
可以向PWM采样寄存器（PWMx_PWMSAR）写入一到三个初始样本值。即使PWM尚未启用，初始样本值也会被加载到PWM FIFO中。不要写入第四个样本，因为FIFO将变满并触发FIFO写入错误（FWE）。此错误将阻止PWM在启用后启动。
检查PWM状态寄存器（PWMx_PWMSR）中的FIFO写入错误状态位（FWE）、比较状态位（CMP）和溢出状态位（ROV），确保它们都为零。任何非零状态位都应通过向它们写入1来清除。
将所需的周期值写入PWM周期寄存器（PWMx_PWMPR）。
通过向PWM使能位PWMx_PWMCR[0]写入1来启用PWM，同时保持其他寄存器位在其先前配置的状态。