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白皮书 使用 PWM 控制数字 CPLD 的模拟输出 ® ® Altera MAX IIZ CPLD 虽然是数字可编程逻辑器件，但通用性很强，足以控制模拟系统。本白皮书介绍怎 样单独使用 MAX IIZ CPLD 或者结合少量无源器件，替代数模转换器，驱动音频扬声器，控制 LED 亮度、 电机速度以及饲服电机位置等。白皮书还将介绍脉冲宽度调制 (PWM) 技术，以及怎样在 MAX IIZ CPLD 中 高效实现并使用 PWM 。 引言 脉冲宽度调制器 (PWM) 是从数字元件中产生模拟输出的常用方法。 PWM 替代数模转换器 (DAC)，产生与 数字输入成比例的模拟电压或者电流。正如其名称所示， PWM 产生一串恒压或者恒流数字脉冲，脉冲宽 度或者占空比与需要的模拟强度成正比。调制后的脉冲串可以通过低通滤波器，转换为模拟电压，但是一 般不需要这样做。 图 1 是典型的模拟信号和数字 PWM 表示。一般而言，模拟信号有最大振幅、最小振幅，以及期间的连续 电平。而PWM 只有两个电平：最大和最小。 图 1. 模拟信号和等价的脉冲宽度调制 在将模拟信号转换为数字信号时，首先以载波频率对模拟信号进行采样。在一定采样周期下，模拟信号下 的面积等于PWM 脉冲下的面积。 PWM 的关键原理是最大振幅时的短脉冲所含有的能量等于小振幅时连续 模拟信号的能量。这一简单的公式决定了 PWM 电路所需要的采样频率： F = 2 ×F SAMPLE RANGE 其中， FSAMPLE 是模拟信号被转换成数字信号的频率， FRANGE 是模拟信号被 PWM 再现的最大频率。在音频 范围，电话是 4 KHz ，而MP3 播放器是 20 KHz 。公式中的 “2 ”来自Nyquist 频率，它是从数字采样中再 现模拟信号所需要的过采样率。 下一步是产生时钟来驱动 PWM 频率间隔。下面的公式决定了 PWM 频率： F = 2 ×F ×R PWM RANGE 其中， FPWM 是驱动 PWM 模块的频率， R 是分辨率。分辨率一般是 2N 倍 ( 其中， N = 数字数据流字中的 位数 ) ，而对于要使用的MAX IIZ PWM ，任意分辨率都可以。 PWM 模拟输出应用 MAX IIZ PWM 三种最常用的模拟应用是 LED 驱动器、音频输出和电机控制。在这些应用中， MAX IIZ CPLD 可以控制灯光、声音和移动，实现以下功能： ■ 灯光 ● 控制 LED 闪烁强度，以节省能源。 ● 显示背光强度 ● 三色 LED 颜色混合 ■ 声音 WP-01085-1.0 2008 年 11 月， 1.0 版 1 使用 PWM 控制数字 CPLD 的模拟输出 Altera 公司 ● 音频回放 ● 声音报警消息 ● 铃声和声响效果 ● 键盘点击和音调 ■ 移动 ● 电机 - 电话振动器 - 游戏移动反馈 - 控制报警振动 - 散热风扇控制 - 键盘触摸反馈 ● 饲服电机 - 模拟控制电压 - 数字控制脉冲 图 2 显示了怎样简单方便地连接 MAX IIZ CPLD 和 LED 、扬声器或者电机。一般而言，只需要少量的外部 元件。通常对 PWM 输出的误解是在使用它之前，必须通过某类滤波器将数字信号转换回模拟信号。在下 面的例子中，只有模拟饲服电机需要滤波器。 图 2. PWM 信号转换为灯光、声音和移动的电路