高分辨率脈沖寬度調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示一種脈沖寬度調(diào)制器，其具有第一時(shí)鐘源，所述第一時(shí)鐘源提供時(shí)鐘信號(hào)到輸出控制器的設(shè)定輸入，所述輸出控制器經(jīng)配置以設(shè)定脈沖寬度輸出信號(hào)且具有復(fù)位輸入以使所述脈沖寬度輸出信號(hào)復(fù)位。工作循環(huán)控制單元與所述輸出控制器的所述復(fù)位輸入耦合，其中所述工作循環(huán)控制單元具有數(shù)控振蕩器NCO，所述NCO與寄存器耦合且經(jīng)配置以提供直接數(shù)字合成以根據(jù)所述寄存器中設(shè)定的值產(chǎn)生指定頻率。此外，提供用于接收來(lái)自第二時(shí)鐘源的信號(hào)和所述脈沖寬度輸出信號(hào)以觸發(fā)所述數(shù)控振蕩器的邏輯。
【專利說(shuō)明】高分辨率脈沖寬度調(diào)制器
[0001]對(duì)相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案主張2012年2月23日申請(qǐng)的第61/602，528號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案的權(quán)利，所述案以引用方式全部并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及脈沖寬度調(diào)制器，特定來(lái)說(shuō)涉及高分辨率脈沖寬度調(diào)制器。

【背景技術(shù)】
[0004]常規(guī)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)，例如，微控制器中的PWM單元，在其分辨率上通常受限于通用系統(tǒng)時(shí)鐘。PWM外圍單元中的分辨率是確定可控制脈沖寬度的精度的重要參數(shù)。如果不能足夠精確地控制PWM脈沖寬度，則將發(fā)生例如極限循環(huán)或只有一個(gè)不正確的輸出電壓值等多個(gè)問(wèn)題。如上所述，通常最小的PWM脈沖寬度調(diào)整將等于系統(tǒng)時(shí)鐘周期。在16MHz裝置上，此將是62.5ns。
[0005]在大多數(shù)切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)應(yīng)用中，工作循環(huán)的操作范圍證明只是全范圍的分?jǐn)?shù)。例如，12V到1.2V DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器將使用小于10%的全范圍，進(jìn)而將有效PWM分辨率減小3.3個(gè)位。這全部意味著在從16MHz系統(tǒng)時(shí)鐘操作的600kHz切換頻率下用于SMPS的常規(guī)PWM將至多能夠?qū)崿F(xiàn)5位的分辨率，且如果所述常規(guī)P麗是如上所述的DC/DC轉(zhuǎn)換器，則其將會(huì)損失3.3位的分辨率，進(jìn)而導(dǎo)致有效控制分辨率僅為1.7位，其明顯是不合需要的。
[0006]因此，存在對(duì)于具有高分辨率的經(jīng)改善PWM的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)一實(shí)施例，脈沖寬度調(diào)制器可包括第一時(shí)鐘源，其提供時(shí)鐘信號(hào)到輸出控制器的設(shè)定輸入，所述輸出控制器經(jīng)配置以設(shè)定脈沖寬度輸出信號(hào)且具有復(fù)位輸入以使所述脈沖寬度輸出信號(hào)復(fù)位；工作循環(huán)控制單元，其與所述輸出控制器的所述復(fù)位輸入耦合，其中所述工作循環(huán)控制單元包括與寄存器耦合且經(jīng)配置以提供直接數(shù)字合成以根據(jù)所述寄存器中設(shè)定的值產(chǎn)生指定頻率的數(shù)控振蕩器(NCO)，且進(jìn)一步包括用于接收來(lái)自第二時(shí)鐘源的信號(hào)和所述脈沖寬度輸出信號(hào)以觸發(fā)所述數(shù)控振蕩器的邏輯。
[0008]根據(jù)另一實(shí)施例，NCO可在一段時(shí)間內(nèi)以平均固定工作循環(huán)產(chǎn)生輸出信號(hào)。根據(jù)另一實(shí)施例，第一時(shí)鐘源可為計(jì)時(shí)器、PWM單元、提供規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)或不規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)的外部源。根據(jù)另一實(shí)施例，第二時(shí)鐘源可為系統(tǒng)時(shí)鐘源、計(jì)時(shí)器、PWM單元、外部源。根據(jù)另一實(shí)施例，所述數(shù)控振蕩器(NCO)可包括接收源于所述第二時(shí)鐘源的信號(hào)的時(shí)鐘輸入、增量寄存器，所述增量寄存器與經(jīng)配置以將增量寄存器的值相加到累加器的內(nèi)容的加法器耦合，其中所述累加器產(chǎn)生用作所述NCO的輸出信號(hào)的溢出信號(hào)。根據(jù)另一實(shí)施例，所述溢出信號(hào)可與源于所述第二時(shí)鐘源的信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算以產(chǎn)生所述NCO的輸出信號(hào)。根據(jù)另一實(shí)施例，經(jīng)“與”運(yùn)算的輸出信號(hào)可被饋送到D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，所述D觸發(fā)器的反相輸出與D輸入耦合且所述D觸發(fā)器的非反相輸出提供所述NCO輸出信號(hào)。根據(jù)另一實(shí)施例，所述NCO可包括用于選擇多個(gè)輸入信號(hào)的輸入多路復(fù)用器，其中所述輸入信號(hào)中的一者是源于所述第二時(shí)鐘源的所述信號(hào)。根據(jù)另一實(shí)施例，所述輸出控制器可為D觸發(fā)器，所述D觸發(fā)器包括與所述第一時(shí)鐘源耦合的時(shí)鐘輸入、與邏輯高耦合的D輸入、與所述工作循環(huán)控制單元的輸出耦合的復(fù)位輸入和提供所述輸出控制器的輸出信號(hào)的非反相輸出。根據(jù)另一實(shí)施例，可配置邏輯單元可包括具有與所述第二時(shí)鐘源耦合的第一輸入和與所述輸出控制器的輸出耦合的第二輸入的第一“與”門、具有與所述第二時(shí)鐘源耦合的第一輸入和接收所述NCO輸出信號(hào)的第二輸入的第二“與”門、和與所述第一 “與”門和所述第二 “與”門的輸出耦合且產(chǎn)生所述NCO輸入信號(hào)的“或”門。
[0009]根據(jù)另一實(shí)施例，微控制器可包括如上所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中所述輸出控制器是由所述微控制器中的第一可配置邏輯單元形成，且所述工作循環(huán)控制單元內(nèi)的所述邏輯是由所述微控制器中的第二可配置邏輯單元形成。
[0010]根據(jù)所述微控制器的另一實(shí)施例，所述第一可配置邏輯單元可配置為D觸發(fā)器，且所述工作循環(huán)控制單元內(nèi)的所述邏輯配置為兩個(gè)“與”門，所述兩個(gè)“與”門的輸出與“或”門的輸入耦合。根據(jù)所述微控制器的進(jìn)一步實(shí)施例，所述D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入可與所述第一時(shí)鐘源耦合且歸零輸入與所述NCO的輸出耦合。根據(jù)所述微控制器的進(jìn)一步實(shí)施例，所述第一“與”門的第一輸入可與所述D觸發(fā)器的輸出耦合，所述第一“與”門的第二輸入和所述第二“與”門的第一輸入與所述第二時(shí)鐘源耦合，所述第二“與”門的第二輸入與所述NCO的輸出耦合，且所述“或”門的輸出與所述NCO的輸入耦合。
[0011]根據(jù)又另一實(shí)施例，一種用于提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的方法可包括以下步驟:提供第一時(shí)鐘信號(hào)到輸出控制器的設(shè)定輸入，所述輸出控制器經(jīng)配置以設(shè)定脈沖寬度輸出信號(hào)且具有復(fù)位輸入以使所述脈沖寬度輸出信號(hào)復(fù)位；以及通過(guò)數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，所述NCO與寄存器耦合且經(jīng)配置以提供直接數(shù)字合成以根據(jù)所述寄存器中設(shè)定的值產(chǎn)生指定頻率，其中所述NCO接收源于第二時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)、所述復(fù)位信號(hào)和脈沖寬度調(diào)制輸出信號(hào)。
[0012]根據(jù)所述方法的另一實(shí)施例，所述NCO可在一段時(shí)間內(nèi)以平均固定工作循環(huán)產(chǎn)生輸出信號(hào)。根據(jù)所述方法的另一實(shí)施例，可通過(guò)計(jì)時(shí)器、PWM單元、提供規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)或不規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)的外部源產(chǎn)生所述第一時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)所述方法的進(jìn)一步實(shí)施例，可通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘源、計(jì)時(shí)器、PWM單元或外部源產(chǎn)生所述第二時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)所述方法的另一實(shí)施例，在源于所述第二時(shí)鐘源的信號(hào)的控制下，所述數(shù)控振蕩器(NCO)可重復(fù)地將增量值相加到累加器，其中所述累加器產(chǎn)生用以產(chǎn)生所述NCO的輸出信號(hào)的溢出信號(hào)。根據(jù)所述方法的另一實(shí)施例，所述第二時(shí)鐘信號(hào)可與所述脈沖寬度調(diào)制輸出信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算且與同所述NCO的輸出信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算的第二時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行“或”運(yùn)算，且其中所述經(jīng)“或”運(yùn)算的信號(hào)是源于饋送到所述NCO的第二時(shí)鐘信號(hào)的信號(hào)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1展示根據(jù)一實(shí)施例的框圖。
[0014]圖2展示在微控制器上使用NCO外圍設(shè)備和CLC外圍設(shè)備的一實(shí)施例。
[0015]圖3展示常規(guī)PWM單元的典型分辨率。
[0016]圖4展示數(shù)控振蕩器(NCO)外圍設(shè)備的可能實(shí)施方案。
[0017]圖5展示NCO的各種信號(hào)的時(shí)序圖。
[0018]圖6展示微控制器中的可配置邏輯單元外圍設(shè)備的簡(jiǎn)化框圖。
[0019]圖7展示可在微控制器內(nèi)經(jīng)編程選擇的可能邏輯單元。
[0020]圖8A和8B分別展示常規(guī)PWM調(diào)制器和根據(jù)各種實(shí)施例的PWM調(diào)制器的時(shí)序圖。
[0021]圖9A到9D展示對(duì)照各種配置的工作循環(huán)繪制的高分辨率PWM的位分辨率。

【具體實(shí)施方式】
[0022]為嘗試增加PWM分辨率，必須改善工作循環(huán)計(jì)時(shí)器精度。存在實(shí)現(xiàn)改善工作循環(huán)計(jì)時(shí)器精度的各種途徑。然而，切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)和類似裝置由于其通過(guò)平衡負(fù)載與電源之間的能量流動(dòng)而操作以致對(duì)脈沖寬度并不敏感，反而對(duì)平均脈沖寬度敏感。這是與常規(guī)SMPS設(shè)計(jì)的典型轉(zhuǎn)變。需要PWM的常規(guī)解決方案將注意裝置上可用的PWM外圍設(shè)備。改善分辨率的成熟方法是簡(jiǎn)單地增加時(shí)鐘頻率。常規(guī)解決方案因此僅僅著重于增加時(shí)鐘來(lái)解決所述問(wèn)題。
[0023]通過(guò)平均化脈沖寬度，可根據(jù)各種實(shí)施例實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)時(shí)鐘的有效脈沖寬度控制。所述概念可能難以接受。然而，根據(jù)本發(fā)明的物理實(shí)施例可證明改善的結(jié)果。因此即使以數(shù)字設(shè)計(jì)中對(duì)可控制信號(hào)的精度為硬限制的62.5ns系統(tǒng)時(shí)鐘，也可根據(jù)如下文更詳細(xì)解釋的各種實(shí)施例實(shí)現(xiàn)15ps脈沖寬度調(diào)整。
[0024]SMPS基本上通過(guò)控制負(fù)載的平均能量轉(zhuǎn)移而操作，換句話說(shuō)，其固有地平均化所供應(yīng)的脈沖寬度。在許多微控制器(例如通過(guò)本發(fā)明的受讓人制造的微控制器)中，可利用數(shù)控振蕩器(NCO)。根據(jù)各種實(shí)施例中，可使用此種數(shù)控振蕩器(NCO)外圍設(shè)備來(lái)改善PWM分辨率。為此，所述NCO可與被稱為直接數(shù)字合成的技術(shù)一起使用以產(chǎn)生通?？赏ㄟ^(guò)對(duì)所產(chǎn)生的輸出增加精確控制的顫動(dòng)而極精細(xì)地調(diào)整的頻率?？墒褂孟嗤募夹g(shù)(實(shí)際上相同的外圍設(shè)備)以此方式產(chǎn)生可極精細(xì)調(diào)整的脈沖寬度(1/f)。
[0025]此外，各種微控制器(尤其通過(guò)本發(fā)明的受讓人制造的某些微控制器)還提供可配置邏輯單元(CLC)。根據(jù)各種實(shí)施例，通過(guò)使用所述CLC作為鏈接邏輯(glue logic)，可在16MHz時(shí)鐘下運(yùn)行的裝置上用當(dāng)前硬件將現(xiàn)有的NCO變成平均脈沖寬度增量小到15皮秒(ps)的PWM。對(duì)于與上述情形相同的情形，這將會(huì)在相同裝置上使用完全相同的16MHz時(shí)鐘而產(chǎn)生17位的有效PWM分辨率。
[0026]此信號(hào)的消耗裝置如SMPS的情況精確地平均化隨時(shí)間推移而產(chǎn)生的脈沖寬度。對(duì)于NC0，消耗裝置必須平均化頻率。作為受歡迎的副作用，用以產(chǎn)生平均脈沖寬度的抖動(dòng)將會(huì)有效地略微擴(kuò)展切換頻率諧波，且因此改善裝置的電磁兼容性(EMC)性能。
[0027]增加PWM切換頻率分辨率的軟件方法在2006年由Microchip發(fā)表為應(yīng)用筆記1050。重點(diǎn)是通過(guò)使用溢出計(jì)數(shù)器增加PWM的頻率分辨率。
[0028]本發(fā)明中提出的各種實(shí)施例并未改善頻率分辨率，而是通過(guò)使用類似技術(shù)增加脈沖寬度控制分辨率。通過(guò)組合所述兩種方法，可精確地控制切換頻率和脈沖寬度二者。
[0029]此外，本發(fā)明中提出的各種實(shí)施例以簡(jiǎn)單且有效的方式以硬件實(shí)施所述技術(shù)。根據(jù)一實(shí)施例，可使用DDS產(chǎn)生的時(shí)鐘以產(chǎn)生可以低到皮秒的增量調(diào)整平均脈沖寬度的極高分辨率PWM。可通過(guò)組合CLC和NCO外圍設(shè)備在現(xiàn)有硬件上實(shí)施各種實(shí)施例。其將用于控制SMPS電力供應(yīng)器應(yīng)用。
[0030]根據(jù)各種實(shí)施例，通過(guò)使用NCO外圍設(shè)備的性質(zhì)，可產(chǎn)生高分辨率PWM信號(hào)。
[0031]如圖1中所示，根據(jù)一實(shí)施例，描繪控制電路100，其包括用以對(duì)PWM信號(hào)提供時(shí)基或切換頻率的切換時(shí)鐘110。此時(shí)基110可為微控制器上的計(jì)時(shí)器、微控制器上的PWM、外部規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)或不規(guī)則信號(hào)，例如零電流檢測(cè)輸入或零電壓檢測(cè)輸入。根據(jù)各種實(shí)施例，例如，可通過(guò)數(shù)字控制信號(hào)調(diào)整所述切換時(shí)鐘110。輸出控制器120可經(jīng)配置以對(duì)PWM輸出信號(hào)進(jìn)行設(shè)定和復(fù)位，因此控制脈沖寬度。因此，可如上陳述般調(diào)整的切換時(shí)鐘110確定PWM切換頻率。各種實(shí)施例還可用以產(chǎn)生單個(gè)脈沖(并非規(guī)則的PWM信號(hào)，而是指定持續(xù)時(shí)間的單穩(wěn)態(tài)(單擊)脈沖)。
[0032]第二主要功能組件是如圖1中所示的工作循環(huán)控件130。所述工作循環(huán)控件130使用時(shí)鐘源140，其可為振蕩器時(shí)鐘、例如計(jì)時(shí)器或另一 PWM等內(nèi)部規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)或通過(guò)微控制器引腳提供的外部信號(hào)。所述時(shí)鐘源140通過(guò)一些邏輯門150連接到所述微控制器上的數(shù)控振蕩器(NCO)外圍設(shè)備160。所述NCO外圍設(shè)備160是溢出計(jì)數(shù)器，其通過(guò)實(shí)施維持累加器中的進(jìn)位值的溢出計(jì)數(shù)器而實(shí)施直接數(shù)字合成以產(chǎn)生指定頻率。增量寄存器170用以確定切換頻率。由所述NC0160產(chǎn)生的頻率通常是已在所述增量寄存器170中設(shè)定的頻率，其是通過(guò)偶爾發(fā)射由于所述累加器中導(dǎo)致過(guò)早溢出的進(jìn)位而比正常脈沖快一個(gè)時(shí)鐘的脈沖而實(shí)現(xiàn)。所述變動(dòng)的效果是:發(fā)射較高的平均頻率。通過(guò)使用所述頻率計(jì)算出所述脈沖寬度，頻率(1/f = T)被有效地反相以在PWM上實(shí)施可精確控制的平均脈沖寬度。
[0033]所述輸出控制器120將來(lái)自切換時(shí)鐘110的切換信號(hào)與工作循環(huán)控件130組合在一起，進(jìn)而僅當(dāng)切換頻率控制已用信號(hào)通知周期開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)工作循環(huán)控制器時(shí)鐘且當(dāng)完成工作循環(huán)脈沖時(shí)停用所述工作循環(huán)控制器時(shí)鐘，從而使系統(tǒng)準(zhǔn)備接收下一個(gè)切換頻率控制脈沖并重復(fù)所述過(guò)程。
[0034]圖2展示使用具有至少兩個(gè)可配置邏輯單元和NCO的微控制器的實(shí)際示范性實(shí)施方案。所述微控制器可購(gòu)自本發(fā)明的受讓人，例如由Microchip Technology公司制造的PIC16F1509，其文件通過(guò)引用方式并入本文。第一邏輯單元220經(jīng)配置以形成輸出控制器120的D觸發(fā)器U2。第二邏輯單元230經(jīng)配置以形成兩個(gè)“與”門U3、U4和“或”門U5。接著可編程地路由輸入和輸出信號(hào)以形成如圖2中所示的電路。然而，根據(jù)其它實(shí)施例，可在提供相同功能性的微控制器中實(shí)施專用邏輯。
[0035]可如下描述電路的操作可描述如下:1.所述觸發(fā)器U2將會(huì)在時(shí)序信號(hào)的正邊緣上計(jì)時(shí)。這將會(huì)導(dǎo)致Q輸出變高且啟動(dòng)PWM脈沖。2.輸出變高時(shí)，所述“與”門U3組合此輸出信號(hào)與經(jīng)由U5饋送進(jìn)入NCO時(shí)鐘引腳中的高速時(shí)鐘。此時(shí)，NCO輸出為低且U4并未產(chǎn)生任何輸出。3.當(dāng)NCO溢出時(shí)，NCO輸出變高，其使觸發(fā)器復(fù)位，從而迫使所述觸發(fā)器的Q輸出變低。U3現(xiàn)在由于所述門的兩個(gè)輸入中的一者為低而不活動(dòng)。4.使用U4以使NCO恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，這是因?yàn)槭筃CO輸出恢復(fù)為低需要額外的時(shí)鐘。一旦NCO輸出恢復(fù)為低，U4也將不會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘輸出且系統(tǒng)將會(huì)由于輸出為低而處于穩(wěn)定狀態(tài)。5.當(dāng)從時(shí)序源接收到下一個(gè)正邊緣時(shí)，從上述步驟I重復(fù)所述過(guò)程。NCO溢出所花費(fèi)的時(shí)間量將取決于上一次溢出之后累加器中留下的剩余部分以及增量寄存器。由于剩余部分的累加，脈沖有時(shí)候?qū)⒈绕匠６桃粋€(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。通過(guò)控制發(fā)生所述情況的頻率(設(shè)定增量寄存器)，可完全控制平均脈沖寬度。
[0036]圖4展示可實(shí)施為微控制器內(nèi)的外圍裝置的示范性數(shù)控振蕩器。數(shù)控振蕩器(NCO)模塊400是使用由于相加增量值的溢出以對(duì)輸入頻率進(jìn)行分頻的計(jì)時(shí)器。加法方法優(yōu)于簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)器的優(yōu)點(diǎn)是:分頻的分辨率并未隨著分頻器值改變。所述NCO400對(duì)在固定工作循環(huán)需要頻率精度和精細(xì)的分辨率的應(yīng)用最為有用。所述NCO的特征包含:16位增量函數(shù)、固定工作循環(huán)(FDC)模式、脈沖頻率(PF)模式、輸出脈沖寬度控制、多時(shí)鐘輸入源、輸出極性控制和中斷能力。
[0037]NCO模塊以固定工作循環(huán)操作模式通過(guò)憑借加法器430重復(fù)地將存儲(chǔ)于寄存器/緩沖器410/420中的一固定值相加到累加器460而操作。加法以由多路復(fù)用器440和啟用門450提供的輸入時(shí)鐘速率而發(fā)生。所述累加器460由于進(jìn)位而定期溢出，其為原始NCO輸出信號(hào)。此輸出可與輸入時(shí)鐘通過(guò)“與”門470進(jìn)行“與”運(yùn)算以產(chǎn)生輸出信號(hào)，例如中斷信號(hào)NCOxIF。此信號(hào)可進(jìn)一步通過(guò)如圖4中所示的其它邏輯480路由且饋送到多路復(fù)用器490以產(chǎn)生用作數(shù)控振蕩器的輸出信號(hào)的最后輸出信號(hào)NCOxOUT。多路復(fù)用器490是用以使用圖4之下部部分中所示且與本發(fā)明的實(shí)施例不相關(guān)的邏輯選擇脈沖頻率調(diào)制模式。
[0038]根據(jù)NCO以固定工作循環(huán)模式操作時(shí)的功能性，通過(guò)相加值與最大累加器值的比率減小輸入時(shí)鐘:
[0039]Foverflow = (NC0 時(shí)鐘頻率 * 增量值)IT,
[0040]其中η是以位表達(dá)的累加器寬度。
[0041 ] 可通過(guò)額外邏輯憑借拉伸脈沖或雙態(tài)觸變觸發(fā)器進(jìn)一步修改NCO輸出。接著可將所修改的NCO輸出在內(nèi)部分布到其它外圍設(shè)備且任選地輸出到引腳。累加器溢出也產(chǎn)生中斷。NCOx周期以離散步長(zhǎng)改變以產(chǎn)生平均頻率。此輸出取決于接收電路平均化NCOx輸出以減小不確定性的能力。
[0042]所述累加器460可為例如20位寄存器?？赏ㄟ^(guò)三個(gè)寄存器對(duì)所述累加器460進(jìn)行讀取和寫入存取。所述NCO加法器430可為全加器，其獨(dú)立于系統(tǒng)時(shí)鐘而操作。先前結(jié)果與增量值的相加取代每輸入時(shí)鐘之上升邊緣上的累加器值。
[0043]增量值410可存儲(chǔ)在組成16位增量的兩個(gè)8位寄存器420中。所述兩個(gè)寄存器都可讀且可寫入。所述增量寄存器410、420可經(jīng)雙緩沖以允許改變值而不必先停用所述NCO模塊400。當(dāng)停用所述模塊時(shí)，緩沖器負(fù)載即緊接停用。首先寫入增量寄存器是必要的，因?yàn)榇司彌_器420在對(duì)所述增量寄存器410執(zhí)行寫入之后與NCO操作同步地加載。
[0044]在固定工作循環(huán)(FDC)模式中，每當(dāng)累加器460溢出時(shí)，雙態(tài)觸變輸出。假定增量值仍保持恒定，則所述提供50%的工作循環(huán)。時(shí)序圖可見(jiàn)于圖5中。所述FDC模式是通過(guò)清除NCO控制寄存器中的相應(yīng)控制位而選擇。
[0045]在脈沖頻率(PF)模式中，每當(dāng)所述累加器460溢出時(shí)，輸出變成在一或多個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)活動(dòng)。一旦時(shí)鐘周期到期，輸出恢復(fù)為不活動(dòng)狀態(tài)。此提供脈沖式輸出。輸出在緊接溢出事件后之上升時(shí)鐘邊緣上變得活動(dòng)。此外，圖5中展示時(shí)序圖。活動(dòng)和不活動(dòng)狀態(tài)的值取決于NCO控制寄存器中的極性位。PF模式是通過(guò)設(shè)定所述NCO控制寄存器中的相應(yīng)位而選擇。
[0046]當(dāng)以PF模式操作時(shí)，輸出的活動(dòng)狀態(tài)的寬度可改變多個(gè)時(shí)鐘周期。各種脈沖寬度是用NCO時(shí)鐘寄存器中的相應(yīng)位而選擇。當(dāng)選定脈沖寬度大于累加器溢出時(shí)間框時(shí)，NCO操作的輸出是不確定的。
[0047]NCO模塊的最后階段是輸出極性。NCO控制寄存器中的NxPOL位選擇輸出極性。改變極性且同時(shí)使中斷發(fā)生將導(dǎo)致所得輸出異動(dòng)發(fā)生中斷?？赏ㄟ^(guò)原始碼或其它外圍設(shè)備在內(nèi)部使用NCO輸出。
[0048]圖6和7展示根據(jù)各種實(shí)施例的可編程邏輯單元外圍裝置的實(shí)例。然而，如上所述，可在微控制器內(nèi)實(shí)施專用邏輯來(lái)代替可編程邏輯單元以執(zhí)行相同功能?？膳渲眠壿媶卧?CLCx)600提供在軟件執(zhí)行的速度限制以外操作的可編程邏輯。所述邏輯單元接收多達(dá)16個(gè)輸入信號(hào)且通過(guò)使用可配置輸入選擇門將所述16個(gè)輸入減小為驅(qū)動(dòng)(例如)八個(gè)可選擇單輸出邏輯函數(shù)中的一者的四根邏輯線。輸入源可為以下各者的組合:1/0引腳、內(nèi)部時(shí)鐘、外圍設(shè)備和寄存器位。輸出在內(nèi)部可引導(dǎo)到外圍設(shè)備且引導(dǎo)到輸出引腳。圖6展示簡(jiǎn)圖，其展示通過(guò)CLCx的信號(hào)流，其中X指示多個(gè)可配置邏輯單元中的特定者。
[0049]如圖7中所示，可能配置可包含:組合邏輯,例如與(AND)、非與(NAND)、與-或(AND-OR)、與-或-反相(AND-0R-1NVERT)、或-互斥或(OR-XOR)和或-互斥非或(OR-XNOR);和鎖存器，例如S-R觸發(fā)器、具有設(shè)定和復(fù)位的計(jì)時(shí)D觸發(fā)器、具有設(shè)定和復(fù)位的透通D觸發(fā)器、具有復(fù)位的時(shí)控J-K觸發(fā)器?？赏ㄟ^(guò)在邏輯信號(hào)流中配置4個(gè)階段執(zhí)行對(duì)CLCx模塊600的編程。所述4個(gè)階段是:數(shù)據(jù)選擇、數(shù)據(jù)門控、邏輯函數(shù)選擇和輸出極性。每一階段可在運(yùn)行時(shí)間通過(guò)寫入對(duì)應(yīng)的CLCx特殊函數(shù)寄存器而設(shè)置。此具有允許在編程執(zhí)行期間進(jìn)行實(shí)時(shí)邏輯再配置的另外優(yōu)點(diǎn)。存在可用作可配置邏輯的輸入的16個(gè)信號(hào)。四個(gè)8輸入多路復(fù)用器用以選擇輸入以傳遞到下一個(gè)階段。所述多路復(fù)用器的16個(gè)輸入布置成四個(gè)輸入為一群組。每一群組可用于所述四個(gè)多路復(fù)用器中的兩個(gè)多路復(fù)用器，在每種情況中，所述兩個(gè)多路復(fù)用器與不同群組配對(duì)。所述布置可從一群組中選擇多達(dá)兩個(gè)多路復(fù)用器而不妨礙在另一群組進(jìn)行另一選擇。數(shù)據(jù)輸入是由相應(yīng)控制寄存器選擇。如圖6左側(cè)指示，通過(guò)四個(gè)多路復(fù)用器進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇。通過(guò)通用編號(hào)的輸入名稱識(shí)別圖式中的數(shù)據(jù)輸入。
[0050]下文表1展示此電路使用直接連接到NCO時(shí)鐘輸入(FNCO)的16MHz時(shí)鐘而將產(chǎn)生的脈沖寬度(給定各種增量寄存器值)。注意，對(duì)于高增量值，寄存器的單個(gè)增量將會(huì)使脈沖寬度僅僅改變15ps。
[0051]表1:針對(duì)不同增量寄存器值而計(jì)算的PWM脈沖寬度
[0052]

【權(quán)利要求】
1.一種脈沖寬度調(diào)制器，其包括: 第一時(shí)鐘源，其提供時(shí)鐘信號(hào)到輸出控制器的設(shè)定輸入，所述輸出控制器經(jīng)配置以設(shè)定脈沖寬度輸出信號(hào)且具有復(fù)位輸入以使所述脈沖寬度輸出信號(hào)復(fù)位； 工作循環(huán)控制單元，其與所述輸出控制器的所述復(fù)位輸入耦合，其中所述工作循環(huán)控制單元包括與寄存器耦合且經(jīng)配置以提供直接數(shù)字合成以根據(jù)所述寄存器中設(shè)定的值產(chǎn)生指定頻率的數(shù)控振蕩器NCO，且進(jìn)一步包括用于接收來(lái)自第二時(shí)鐘源的信號(hào)和所述脈沖寬度輸出信號(hào)以觸發(fā)所述數(shù)控振蕩器的邏輯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中所述NCO在一段時(shí)間內(nèi)以平均固定工作循環(huán)產(chǎn)生輸出信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中所述第一時(shí)鐘源是計(jì)時(shí)器、PWM單元、提供規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)或不規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)的外部源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中所述第二時(shí)鐘源是系統(tǒng)時(shí)鐘源、計(jì)時(shí)器、PWM單元、外部源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中所述數(shù)控振蕩器NCO包括接收源于所述第二時(shí)鐘源的信號(hào)的時(shí)鐘輸入、增量寄存器，所述增量寄存器與經(jīng)配置以將所述增量寄存器的值與累加器的內(nèi)容相加的加法器耦合，其中所述累加器產(chǎn)生用作所述NCO的所述輸出信號(hào)的溢出信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中所述溢出信號(hào)與源于所述第二時(shí)鐘源的所述信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算以產(chǎn)生所述NCO的所述輸入信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中經(jīng)“與”運(yùn)算的輸出信號(hào)被饋送到D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，所述D觸發(fā)器的反相輸出與D輸入耦合且所述D觸發(fā)器的非反相輸出提供所述NCO輸出信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中所述NCO包括用于選擇多個(gè)輸入信號(hào)的輸入多路復(fù)用器，其中所述輸入信號(hào)中的一者是源于所述第二時(shí)鐘源的所述信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中所述輸出控制器是D觸發(fā)器，所述D觸發(fā)器包括與所述第一時(shí)鐘源耦合的時(shí)鐘輸入、與邏輯高耦合的D輸入、與所述工作循環(huán)控制單元的所述輸出耦合的復(fù)位輸入和提供所述輸出控制器的所述輸出信號(hào)的非反相輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的脈沖寬度調(diào)制器，其中所述可配置邏輯單元包括具有與所述第二時(shí)鐘源耦合的第一輸入和與所述輸出控制器的所述輸出耦合的第二輸入的第一”與”門、具有與所述第二時(shí)鐘源耦合的第一輸入和接收所述NCO輸出信號(hào)的第二輸入的第二”與”門以及與所述第一”與”門和所述第二”與”門的輸出耦合且產(chǎn)生所述NCO輸入信號(hào)的“或”門。
11.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖寬度調(diào)制器的微控制器，其中所述輸出控制器是由所述微控制器中的第一可配置邏輯單元形成，且所述工作循環(huán)控制單元內(nèi)的所述邏輯是由所述微控制器中的第二可配置邏輯單元形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的微控制器，其中所述第一可配置邏輯單元配置為D觸發(fā)器，且所述工作循環(huán)控制單元內(nèi)的所述邏輯配置為兩個(gè)”與”門，所述兩個(gè)”與”門的輸出與“或”門的輸入I禹合。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微控制器，其中所述D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入與所述第一時(shí)鐘源耦合，且歸零輸入與所述NCO的所述輸出耦合。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微控制器，其中所述第一”與”門的所述第一輸入與所述D觸發(fā)器的所述輸出耦合，所述第一”與”門的所述第二輸入和所述第二”與”門的所述第一輸入與所述第二時(shí)鐘源耦合，所述第二”與”門的所述第二輸入與所述NCO的所述輸出耦合，且所述“或”門的所述輸出與所述NCO的所述輸入耦合。
15.一種用于提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的方法，其包括: 輸入提供第一時(shí)鐘信號(hào)到輸出控制器的設(shè)定輸入，所述輸出控制器經(jīng)配置以設(shè)定脈沖寬度輸出信號(hào)且具有復(fù)位輸入以使所述脈沖寬度輸出信號(hào)復(fù)位； 通過(guò)數(shù)控振蕩器NCO產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，所述NCO與寄存器耦合且經(jīng)配置以提供直接數(shù)字合成以根據(jù)所述寄存器中設(shè)定的值產(chǎn)生指定頻率，其中所述NCO接收源于第二時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)、所述復(fù)位信號(hào)和脈沖寬度調(diào)制輸出信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述NCO在一段時(shí)間內(nèi)以平均固定工作循環(huán)產(chǎn)生輸出信號(hào)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中通過(guò)計(jì)時(shí)器、PWM單元、提供規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)或不規(guī)則計(jì)時(shí)信號(hào)的外部源產(chǎn)生所述第一時(shí)鐘信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘源、計(jì)時(shí)器、PWM單元或外部源產(chǎn)生所述第二時(shí)鐘信號(hào)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在源于所述第二時(shí)鐘源的所述信號(hào)的控制下，所述數(shù)控振蕩器NCO可重復(fù)地將增量值相加到累加器，其中所述累加器產(chǎn)生用以產(chǎn)生所述NCO的所述輸出信號(hào)的溢出信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第二時(shí)鐘信號(hào)與所述脈沖寬度調(diào)制輸出信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算且與同所述NCO的所述輸出信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算的所述第二時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行“或”運(yùn)算，且其中所述經(jīng)“或”運(yùn)算的信號(hào)是源于饋送到所述NCO的所述第二時(shí)鐘信號(hào)的所述信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H03K7/08GK104205634SQ201380015649
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年2月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月23日
【發(fā)明者】邁克爾·加伯特, 雅各布斯·艾伯塔斯·范伊登, 戴維·馬丁 申請(qǐng)人:密克羅奇普技術(shù)公司