基于FPGA的PWM脉宽调制

我们还是先从脉冲宽度调制的基础说起。脉冲宽度调制，英文缩写为：PWM（Pulse Width Modulation），是通过数字信号实现对模拟电路控制的一种非常有效的技术，常被广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等众多领域。

那么PWM是如何工作的？

我们知道，数字电路只能产生高电平（1）或低电平（0），在小脚丫上也就意味着3.3V和0V。那么如果我们的应用恰好在这之间怎么办？比如，将3.3V直接连到LED上会导致LED灯很亮。如何将LED灯调暗呢？当然，最简单的办法就是直接串联一个限流电阻但这样一来，限流电阻就需要不断产生功耗，而这个功耗实际上是完全浪费掉的。

无非就是调节LED的亮度而已，难道就没有其他更好的办法了吗？当然有，用我们今天学习的PWM就可以轻松实现。在进一步探讨点亮LED之前，我们先通过图1了解一些基本的参数：

图1

图1中，脉冲信号的周期为T，高电平宽度为t。如果我们将t/T定义为占空比，占空比就是2/3，因为高电平的宽度占了整个周期的2/3。在图1中我们还可以看到一条红色虚线，画在了脉冲高度2/3的位置。这条虚线实际上就对应着最终的有效值。那么如何在FPGA上生成PWM信号呢？

我们还是习惯看图说话，请看图2。假如我们有一个锯齿波，然后在锯齿波上设置一个阈值（黑色水平虚线），凡是大于该阈值时输出均为高电平，反之则为低电平，这样我们是不是就得到一个PWM信号呢？如果我们想调整它的占空比，那么调节阈值的高低就可以了。在本例中，阈值线越低占空比越高。

图2

如果把上面的描述再抽象化一下，就可以画出图3的模块框图。锯齿波实际上就可以用计数器生成，阈值就是一个数值而已，比较器是用来生成最后输出高低电平用的。

图3

有了设计思路之后，我们来看一下最终代码。

module pwm (PWM_out, clk, reset);
  input clk, reset;
  output reg PWM_out;
  wire [7:0] counter_out;     //计数器的8位宽储存，可以最多数128次时钟的嘀嗒
  parameter PWM_ontime = 32;  //阈值设在32，对应25%的占空比
  always @ (posedge clk) begin    //比较器
       if (PWM_ontime > counter_out)
         PWM_out <= 0;
       else
         PWM_out <= 1;
  end
  
  counter counter_inst(      //调用计数器
        .clk (clk),
        .counter_out (counter_out),
        .reset(reset)
  );
endmodule


module counter(counter_out,clk,reset);   //计数器模块代码
  output [7:0] counter_out;  
  input clk, reset;
  reg [7:0] counter_out;
  always @(posedge clk)
     if (reset)   //如果没有按reset，则计数器清零
        counter_out <= 8'b0;
     else        //如果按下reset，则计数器开始计数
        counter_out <= counter_out + 1;
endmodule

在代码中，我们设置的计数器位宽是8位，也就是每128次后自动重新计数。所以，该计数器的最大频率也就是12MHz/128=93.75KHz。图3中可以看出，PWM信号的频率和计数器的频率相同，因此也是93.78KHz。

试想一下，LED现在正以超过每秒9万次的速度闪烁，肉眼是完全分辨不出来的。那么闪烁过程中，亮/灭的比值越大，LED的视觉发光效果就越强，反之则越弱。我们最后将上述程序导入小脚丫中，并通过调节阈值来观察小脚丫上的LED发光强度的变化。

现在思考题来了：

1.已知小脚丫的板载LED的正向点亮电压为1.8V

2.已知小脚丫的高电平为3.3V，低电平为0V

现在我们将一个占空比为10%的PWM信号接到LED上，能不能看到LED点亮？

能

回答错误的你一定非常不服，于是从积灰的古董箱里翻出来宝刀已老的万用表，调成直流电压测量模式后一测发现：没错啊！就是0.33V，和预期的3.3*10%=0.33V一样！那怎么可能还会点亮，一定是LED坏了，哦不，是万用表坏了，好像也不是…难道是小脚丫坏了？