脉冲宽度调制波的处理方法、系统、信号处理装置及介质与流程

本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及脉冲宽度调制波的处理方法、系统、信号处理装置及介质。

背景技术：

脉冲宽度调制(pwm)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，一般是利用微处理器(mpu)的定时器或者pwm控制器来产生稳定的高低电平脉冲，通过调制方波的占空比来对一个具体模拟信号的电平进行编码。pwm信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(on)，要么完全无(off)。

一个pwm波周期内的等效输出电压vo为：

其中，th为pwm波的脉宽时间，t为pwm波的周期，v为pwm波满幅值电压，α为pwm波的占空比。

且有：

th＝nh·tlsb

其中，nh为一个脉宽内所需要的定时器计数值或pwm控制器计数值，tlsb为一位计数值(lsb)的周期。

通过硬件滤波电路，可以将数字的pwm信号转换为模拟信号。整个转换过程，即滤波器接收pwm波输入到滤波器输出最终稳定，需要持续一定的时间，这个时间称之为响应时间。响应时间tresp根据硬件滤波器种类或脉宽时间的不同，一般是pwm周期t的30～50倍左右，即：

tresp＝n·t，(n≈30～50)

pwm分辨率是指pwm波的占空比可调的级数，是由单片机定时器或者pwm控制器的位数来决定的。比如定时器或者pwm控制器为8位，则最大可调级数为256，即分辨率为256。部分mcu的定时器或者pwm控制器的位数可以达到16位。但在一些系统中，可能因为mcu本身限制，使得分辨率不能达到系统的需求，如精密数控系统中，分辨率要求达到18位，而mcu只能提供16位。

pwm波的周期t与pwm分辨率r成正比，而与mpu的主频fmpu成反比，三者之间存在一定的比例系数λ，则有：

(λ为常数)

例如，在一个c51的单片机系统中，比例系数λ为12，mpu的主频fmpu为5mhz，要求分辨率r为10000，则pwm周期为：

则该pwm的输出响应时间tresp至少为：

tresp＝n·t＝30×24＝720ms

在一些工业应用场合，有很多情况涉及精密输出控制，以及快速响应，这就要求pwm周期短，以及分辨率高，最常用的方法，是提高mcu主频，但高主频意味着需要解决电路成本增加，射频干扰严重，mcu功耗增加等诸多难点，这在工业应用中很难做到平衡。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供脉冲宽度调制波的处理方法、系统、信号处理装置及介质，解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种脉冲宽度调制波的处理方法，包括：根据用于生成pwm信号的微处理器系统所需工作主频fmpu及信号分辨率r，计算理论pwm信号的周期t；根据所需输出电压及pwm信号满幅值电压计算pwm信号的占空比α，并根据占空比α及所述周期t计算脉宽时间th＝α·t；根据所述脉宽时间th计算出维持高电平所需要的微处理器系统的定时器计数或pwm控制器计数nh＝th/tlsb，其中，tlsb为一位计数值的周期；将预设pwm的信号周期t调整为t/k的小周期，所述小周期小于微处理器系统的定时器或pwm控制器最大可输出的高电平时间，其中k为≥2的整数；分别调整k个小周期需输出的各个调整后pwm信号的脉宽时间，以令k个调整后pwm信号的脉宽时间和等于th，即令k个调整后pwm信号的占空比之和为α1+α2+…+αk＝k·α，也令定时器或pwm控制器的计数需满足其中，αk为第k个调整后pwm信号的占空比，为第k个调整后pwm信号的维持高电平所需要的微处理器系统的定时器计数或pwm控制器计数；连续输出k个小周期的调整后pwm信号以替代所述理论pwm信号。

于本发明的一实施例中，所述fmpu是根据性能、成本及电路模块功耗中的一种因素或多种因素综合确定的。

于本发明的一实施例中，所述根据所需微处理器系统的工作主频fmpu及所需pwm分辨率r，计算理论pwm信号的周期包括：根据公式计算，λ为常数。

于本发明的一实施例中，所述根据所需输出电压及pwm信号满幅值电压计算pwm信号的占空比α，包括：α＝vo/v；vo为输出电压，v为pwm信号满幅值电压。

于本发明的一实施例中，k为偶数。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种脉冲宽度调制波的处理系统，包括：周期计算模块，用于根据用于生成pwm信号的微处理器系统所需工作主频fmpu及信号分辨率r，计算理论pwm信号的周期t；脉宽计算模块，用于根据所需输出电压及pwm信号满幅值电压计算pwm信号的占空比α，并根据占空比α及所述周期t计算脉宽时间th＝α·t；计数计算模块，用于根据所述脉宽时间th计算出维持高电平所需要的微处理器系统的定时器计数或pwm控制器计数nh＝th/tlsb，其中，tlsb为一位计数值的周期；周期调整模块，用于将预设pwm的信号周期t调整为t/k的小周期，所述小周期小于微处理器系统的定时器或pwm控制器最大可输出的高电平时间，其中k为≥2的整数；脉宽调整模块，用于分别调整k个小周期需输出的各个调整后pwm信号的脉宽时间，以令k个调整后pwm信号的脉宽时间和等于th，即令k个调整后pwm信号的占空比之和为α1+α2+…+αk＝k·α，也令定时器或pwm控制器的计数需满足其中，αk为第k个调整后pwm信号的占空比，为第k个调整后pwm信号的维持高电平所需要的微处理器系统的定时器计数或pwm控制器计数；信号输出模块，用于连续输出k个小周期的调整后pwm信号以替代所述理论pwm信号。

于本发明的一实施例中，所述根据所需输出电压及pwm信号满幅值电压计算pwm信号的占空比α，包括：α＝vo/v；vo为输出电压，v为pwm信号满幅值电压。

于本发明的一实施例中，k为偶数。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种信号处理装置，包括：处理器、及存储器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述信号处理装置执行所述的脉冲宽度调制波的处理方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的脉冲宽度调制波的处理方法。

如上所述，本发明提供的脉冲宽度调制波的处理方法、系统、信号处理装置及介质，根据生成pwm信号的微处理器系统所需工作主频及信号分辨率计算理论pwm信号的周期，且根据所需的输出电压和pwm信号满幅值电压计算pwm信号的占空比，进而计算理论pwm信号的脉宽时间并计算相应的计数，然后将所述周期划分成多个小周期，调整各个小周期对应调整后pwm信号的脉宽时间，均小于定时器或pwm控制器最大可输出的高电平时间且各调整后pwm信号的脉宽时间总和与理论pwm信号的脉宽相同，从而令计数和也与原计数相同，连续输出相应数量的小周期的调整后pwm信号，以替代所述理论pwm信号，既提高了系统的分辨率也提高了响应时间。

附图说明

图1显示为本发明一实施例中脉冲宽度调制波的处理方法的流程示意图。

图2显示为本发明一实施例中处理方法调整pwm信号周期的时序示意图。

图3显示为本发明一实施例中处理方法改进的pwm信号波形与原pwm信号波形比较的时序示意图。

图4显示为本发明一实施例中脉冲宽度调制波的处理系统的模块示意图。

元件标号说明

41周期计算模块

42脉宽计算模块

43计数计算模块

44周期调整模块

45脉宽调整模块

46信号输出模块

s1～s6方法步骤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1，展示本发明实施例中提供的脉冲宽度调制波的处理方法，其包括：

步骤s1：根据用于生成pwm信号的微处理器系统所需工作主频fmpu及信号分辨率r，计算理论pwm信号的周期t。

于本实施例中，采用微处理器系统来生成pwm信号，其中，fmpu即所述微处理器系统中的微处理器mcu的工作主频，所述周期t的计算公式为：

λ为常数。

需说明的使，所述fmpu可以是根据性能、成本及电路模块功耗中的一种因素或多种因素综合确定的

步骤s2：根据所需输出电压及pwm信号满幅值电压计算pwm信号的占空比α，并根据占空比α及所述周期t计算脉宽时间th＝α·t。

于本实施例中，所述占空比的计算公式为α＝vo/v，其中，vo为所需的输出电压，v为pwm信号满幅值电压。

进而，根据公式th＝α·t＝vo/v·t，可以计算得到脉宽时间th。

步骤s3：根据所述脉宽时间th计算出维持高电平所需要的微处理器系统的定时器计数或pwm控制器计数nh＝th/tlsb，其中，tlsb为一位计数值的周期。

步骤s4：将预设pwm的信号周期t调整为t/k的小周期，所述小周期小于微处理器系统的定时器或pwm控制器最大可输出的高电平时间，其中k为≥2的整数。

具体的，也就是将原来pwm信号的一个周期切分成多个小周期，优选的，k为偶数，但不限于偶数，更直观地，可以参考图2所示的比对时序图。

步骤s5：分别调整k个小周期需输出的各个调整后pwm信号的脉宽时间，以令k个调整后pwm信号的脉宽时间和等于th，即令k个调整后pwm信号的占空比之和为α1+α2+…+αk＝k·α，也令定时器或pwm控制器的计数需满足其中，αk为第k个调整后pwm信号的占空比，为第k个调整后pwm信号的维持高电平所需要的微处理器系统的定时器计数或pwm控制器计数。

也就是说，调整k个小周期内的调整后pwm信号，使得：

可以看出，k个小周期内的占空比序列需满足：

α1+α2+…+αk＝k·α

也即定时器或pwm控制器的计数需满足：

那么，通过独立调节每一个小周期的pwm高电平计数值，可以将pwm分辨率提高至k倍，实现较高的pwm分辨率。

为了保证模拟信号输出的品质，需尽量保证平均，因此其分配原则可以但不限于是均分。

步骤s6：连续输出k个小周期的调整后pwm信号以替代所述理论pwm信号。

于本发明的一实施例中，可以通过设计适用于pwm信号周期为t/k的硬件滤波器，连续循环输出k个调整后pwm信号；通过合理地分配k个小周期内的pwm高电平计数值，经过滤波器的作用，滤波器的响应时间仍约等于n·t/k，也就是说，在提高分辨率的情况下还能维持或降低响应时间。

根据图1的实施例的原理，举一实例来说明本发明的功效：

假设一个系统需要系统分辨率为r＝10000，输出占空比为α＝5001/10000，系统选用的mpu可例如为c51单片机，定时器的位数为13位。由此可以得到按照常规方案，该单片机的分辨率为r＝2¹³＝8192，不能满足系统要求的10000的分辨率。

按照本发明的方法进行改进：

根据步骤s1～s3可以计算出原pwm周期为t＝24ms，nh＝5001；

根据步骤s4计算出新的pwm周期，这里取k＝4，则新的pwm周期为6ms；

根据步骤s5：设计调整定时器计数值本实施例采用平均分配法，即n＝5001÷4＝1250余1，则有：

根据步骤s6设计适用于pwm周期为6ms的硬件滤波器，连续循环输出上述4个pwm波形。响应时间约为180ms。

具体可参考图3，更直观地了解本发明的改进设计与原设计在时序图上的差别。

按照该方法改进后的有益效果有：(1)提高了系统的分辨率：将系统分辨率由原mcu所支持的分辨率8192提高至10000；(2)提高了响应时间：由原方法的响应时间720ms，提高至新方法的180ms，响应时间提高了4倍。

如图4所示，展示本发明实施例中的脉冲宽度调制波的处理系统的模块示意图，由于图1方法实施例中的技术特征均能应用于本实施例中，因此相同的技术细节不作重复赘述。所述系统包括：周期计算模块41，用于根据用于生成pwm信号的微处理器系统所需工作主频fmpu及信号分辨率r，计算理论pwm信号的周期t；脉宽计算模块42，用于根据所需输出电压及pwm信号满幅值电压计算pwm信号的占空比α，并根据占空比α及所述周期t计算脉宽时间th＝α·t；计数计算模块43，用于根据所述脉宽时间th计算出维持高电平所需要的微处理器系统的定时器计数或pwm控制器计数nh＝th/tlsb，其中，tlsb为一位计数值的周期；周期调整模块44，用于将预设pwm的信号周期t调整为t/k的小周期，所述小周期小于微处理器系统的定时器或pwm控制器最大可输出的高电平时间，其中k为≥2的整数；脉宽调整模块45，用于分别调整k个小周期需输出的各个调整后pwm信号的脉宽时间，以令k个调整后pwm信号的脉宽时间和等于th，即令k个调整后pwm信号的占空比之和为α1+α2+…+αk＝k·α，也令定时器或pwm控制器的计数需满足其中，αk为第k个调整后pwm信号的占空比，为第k个调整后pwm信号的维持高电平所需要的微处理器系统的定时器计数或pwm控制器计数；信号输出模块46，用于连续输出k个小周期的调整后pwm信号以替代所述理论pwm信号。

于本发明的一实施例中，所述根据所需输出电压及pwm信号满幅值电压计算pwm信号的占空比α，包括：α＝vo/v；vo为输出电压，v为pwm信号满幅值电压。

于本发明的一实施例中，k为偶数。

另外，本发明在一实施例中还可提供信号处理装置，包括：处理器(可以是mcu)、及存储器(可以是rom、ram或其它存储介质)；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述信号处理装置执行所述的脉冲宽度调制波的处理方法。

另外，本发明在一实施例中还可以提供计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的脉冲宽度调制波的处理方法。所述计算机可读存储介质例如为硬盘、闪存等。

综上所述，本发明提供的脉冲宽度调制波的处理方法、系统、信号处理装置及介质，根据生成pwm信号的微处理器系统所需工作主频及信号分辨率计算理论pwm信号的周期，且根据所需的输出电压和pwm信号满幅值电压计算pwm信号的占空比，进而计算理论pwm信号的脉宽时间并计算相应的计数，然后将所述周期划分成多个小周期，调整各个小周期对应调整后pwm信号的脉宽时间，均小于定时器或pwm控制器最大可输出的高电平时间且各调整后pwm信号的脉宽时间总和与理论pwm信号的脉宽相同，从而令计数和也与原计数相同，连续输出相应数量的小周期的调整后pwm信号，以替代所述理论pwm信号，既提高了系统的分辨率也提高了响应时间。

本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的预设理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。