这一篇在干嘛？
让电机转起来容易，让它按你想要的速度转才是控制问题。这一篇用 FPGA 生成 PWM 波对直流电机做调速、换向，再用红外光电对码盘测转速，构成一套「发波—驱动—测量」的小型测控系统。原文篇幅不长，本文把模拟 PWM 与数字 PWM 的对比、测频原理展开讲清。
实验目标与原理
实验任务原文：
学习直流电机 PWM 的 FPGA 控制。掌握 PWM 控制的工作原理，对直流电机进行闭环速度控制、旋转方向控制、变速控制。
从模拟 PWM 到数字 PWM
先看教科书式的模拟 PWM 是怎么产生的，原文描述：
一般的脉宽调制 PWM 信号是通过模拟比较器产生的，比较器的一端接给定的参考电压，另一端接周期性线性增加的锯齿波电压。当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。改变参考电压就可以改变 PWM 波形中高电平的宽度。若用单片机产生 PWM 信号波形，需要通过 D/A 转换器产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟比较器输出 PWM 波形，因此外围电路比较复杂。
再看 FPGA 的做法：
FPGA 中的数字 PWM 控制与一般的模拟 PWM 控制不同。用 FPGA 产生 PWM 波形，只需 FPGA 内部资源就可以实现。用数字比较器代替模拟比较器，其一端接设定值计数器输出，另一端接线性递增计数器输出。当线性计数器的计数值小于设定值时输出低电平，当计数值大于设定值时输出高电平。与模拟控制相比，省去了外接的 D/A 转换器和模拟比较器，FPGA 外部连线很少、电路更加简单、便于控制。脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉宽调制，转速的波动随着 PWM 脉宽细分数的增大而减小。
两个方案结构完全同构，只是「载波」不同：
| 对比项 | 模拟 PWM | FPGA 数字 PWM |
|---|---|---|
| 锯齿波 | D/A + 模拟电路产生 | 线性递增计数器 |
| 比较器 | 模拟比较器 | 数字比较器（大于/小于判断） |
| 调节量 | 参考电压 | 设定值（寄存器里的数） |
| 外围电路 | D/A、运放、比较器 | 无，纯内部逻辑 |
把 PWM 读成「占空比旋钮」
直流电机的平均电压正比于 PWM 占空比，占空比高转速快、占空比低转速慢。所以「调速」在硬件上就是「改设定值」——一个 8 位设定值从 0 到 255，占空比从 0% 到 100% 线性可调。计数器计数值小于设定值输出低、大于设定值输出高，高电平的宽度自然随设定值变化，这就是数字 PWM 的全部。
顶层结构：三大组成部分
图 1 直流电机驱动控制电路顶层设计
图 1 是直流电机控制电路顶层设计，主要由以下 3 个大部分组成：
（1）PWM 脉宽调制信号发生模块 SQU1
此模块是 FPGA 中的 PWM 脉宽调制信号产生电路。它的输出接电机转向控制电路模块，此模块输出的两个端口接电机。通过控制 SL 端（键 K1），可以改变电机转向。SQU1 的输入端之一来自模块 CNT8B。这是一个 8 位计数器，输出的数据相当于锯齿波信号，此信号的频率就是输出 PWM 波的频率，它由来自锁相环的 C0 的频率决定，频率选择 4096Hz。SQU1 模块的另一端来自键控的 8 位数据，其中低 4 位 CIN[3..0] 设定为恒定 1111，高 4 位由计数器 CNT4B 产生，计数器的时钟来自键。于是可以通过手动按键控制电机的转速。如果键有抖动，在键输入进计数器前加了一个消抖动模块 ERZP，由于键抖动的脉冲频率比较低，故 ERZP 的工作时钟选择 4096Hz。
拆解这段话里的设计要点：
- PWM 频率由「锯齿波计数器」决定：8 位计数器 CNT8B 计满 256 回零，输出就是数字锯齿波；它的时钟 C0 = 4096Hz，所以 PWM 频率 = 4096 / 256 = 16Hz。设定值是「高 4 位来自 CNT4B + 低 4 位恒 1111」拼成的 8 位数，按键一次、CNT4B 加一，占空比就跨一级。
- 换向不在 PWM 里：SQU1 的输出先经过转向控制电路，再由两个端口 DM1、DM2 接电机——改变 H 桥（或驱动电路）两端的电流方向即可换向，SL 端就是那个换向开关。
- 按键必须消抖：按键抖动会让 CNT4B 一次跳好几级，转速就乱了。ERZP 消抖模块工作在 4096Hz 低速时钟，正好匹配毫秒级的抖动时间窗。
（2）电机转速测试系统
电机转速的测定很重要，一方面可以直观了解电机的转动情况，更重要的是，可以据此构成电机的闭环控制，即可以设定电机的某一转速后，确保负载变动时仍旧能保持不变转速和恒定输出功率。本项实验是通过红外光电测定转速的。每转一圈光电管发出一个负脉冲，由图 1 的左上的 CNIN 口进入。由于此类方法测转速，会附带大量毛刺脉冲，所以在 CNIN 的信号后必须接入消毛刺模块 ERZP，其工作时钟频率是 5MHz。ERZP 的输出信号进入一个 2 位十进制显示的频率计。图中频率测量功能模块 clk_div 是测频时序控制电路；模块 CNT10D 是双十位计数器，模块 LOCK8 是 8 位寄存器，由 74374 担任。两位十进制频率数显示在系统实验电路模式上数码管 LEDA、LEDB。
测速链路是「传感器 → 滤波 → 计数 → 锁存 → 显示」五段：
- 红外对管对着电机轴上的码盘，每转一圈送出一个负脉冲（CNIN 口输入）；
- 光电信号毛刺多，先用工作在 5MHz 的 ERZP 消毛刺——注意它和按键消抖用的 ERZP 是同一模块、不同时钟，一个 4096Hz 一个 5MHz，体现了模块复用的价值；
- 频率计在固定闸门时间内对脉冲计数，CNT10D 计数、LOCK8（74374）在闸门结束时锁存结果，数码管 LEDA/LEDB 显示两位十进制转速值。
（3）工作时钟发生器
这主要由分频电路 clk_div 担任，或直接由主系统直接提供。其输入频率是 50MHz；输出两个频率：C0=4096Hz，C1=8Hz。
50MHz 进来，4096Hz 给 PWM 与按键消抖，8Hz 给测频时序控制——一个模块喂饱全系统的时钟需求。
时钟分配一览
整个系统只有一个 50MHz 晶振输入，各路工作频率由分频电路 clk_div（或锁相环）统一派生，用途如下：
| 时钟 | 频率 | 供给模块 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 输入时钟 | 50MHz | clk_div | 分频源 |
| C0 | 4096Hz | CNT8B、ERZP（按键路径） | PWM 锯齿波时钟 / 按键消抖 |
| C1 | 8Hz | clk_div 测频时序控制 | 测频节拍（计数、锁存、清零） |
| ERZP 测速路径时钟 | 5MHz | ERZP（CNIN 路径） | 光电脉冲消毛刺 |
看懂这张表，再看顶层框图就不会迷路：频率决定职责——4096Hz 的慢时钟负责「人的手速能跟上的事」（PWM 基频、消抖），5MHz 的快时钟负责「跟得上电信号的事」（毛刺滤除），8Hz 负责「秒级的测量节拍」。
换向是怎么回事
PWM 只解决「多快」，不解决「往哪边转」。直流电机的转向取决于电枢电流方向，而电流方向由驱动电路（H 桥或双向驱动器）决定：SQU1 的 PWM 输出先送入转向控制电路模块，该模块的两个端口 DM1、DM2 接电机两端，SL 端（key1）切换的就是这两端谁高谁低——两端电位互换，电流反向，电机倒转。这就是为什么顶层图里 PWM 模块和电机之间永远隔着一级「转向控制」：调速和换向是两个解耦的自由度，一个控占空比、一个控极性，互不干扰。
测频法算一算：数码管上的数到底代表什么
频率计的原理是「固定闸门时间 + 计数脉冲个数」：闸门开 1 秒，数进来的脉冲有多少个，频率就是多少 Hz。本系统里 CNIN 每转一圈来一个脉冲，所以 1 秒闸门内计到的数 = 电机每秒转数 = 转速（转/秒）。数码管 LEDA、LEDB 显示两位十进制数，也就是每秒转数在 0~99 之间。C1 = 8Hz 的低频时钟正是给测频时序控制电路用的——用低频时钟产生规整的计数、锁存、清零节拍，让计数结果在两次显示之间保持稳定，数码管不会闪烁跳变。
毛刺不清除，读数会虚高
光电对管输出的脉冲边沿带着大量机械与电气毛刺，若直接送入计数器，一次抖动可能被数成十几个脉冲，转速读数严重虚高。所以 CNIN 之后必须先进工作在 5MHz 的 ERZP 消毛刺模块，再进频率计——「传感器信号先滤波、后计数」是测控系统的通用纪律。
硬件准备与引脚锁定
图 2 直流步进电机模块
图 3 直流步进电机模块 40 芯连接图
原文引脚锁定：
DM1、DM2 电机正反转分别锁定：引脚 N14,P15（34、36 引脚位）。 CLK 锁定核心板 50MHz 晶振。 Sl 转向接 key1 A2 脚 K8 速度控制接 key2 C5 脚
整理成速查表：
| 信号 | 方向 | 引脚 | 说明 |
|---|---|---|---|
| CLK | 输入 | 核心板 50MHz 晶振 | 系统时钟 |
| SL | 输入 | A2（key1） | 电机转向控制 |
| K8 | 输入 | C5（key2） | 速度控制（CNT4B 计数时钟） |
| DM1 | 输出 | N14（34 引脚位） | 电机驱动端口 1 |
| DM2 | 输出 | P15（36 引脚位） | 电机驱动端口 2 |
| CNIN | 输入 | 红外光电输入 | 转速脉冲（经 ERZP 消毛刺） |
上板流程与现象
按原文完成工程建立、引脚锁定与下载后，上板验证按三条线走：
- 换向：按 key1 切换 SL 端电平，观察电机 DM1/DM2 电流方向反转，电机倒转。
- 调速：反复按 key2，每按一次 CNT4B 加一，PWM 设定值高 4 位抬高一档，占空比增大，可以听到、看到转速台阶式上升。
- 测速：数码管 LEDA、LEDB 显示两位十进制频率值，即红外对管测得的每秒转数，转速应随占空比提高而增大；用手轻捏电机轴加载负载，观察读数变化，体会开环控制的局限。
验证时建议按「先低速后高速」的顺序逐档按键，每档停留几秒、记下数码管读数，你会得到一组占空比-转速对应关系；再捏住电机轴增加负载，读数下降——这就是开环系统的软肋，也是引出闭环控制的最好现场演示。
现象与总结
这个实验的完整度在于它同时覆盖了控制的「输出侧」和「输入侧」：
- 输出侧（PWM 调速）：数字锯齿波 + 数字比较器 = 无外围的 PWM 发生器。转速波动随脉宽细分数增大而减小，这意味着提高 PWM 频率（本例受 4096Hz 时钟与 8 位计数器限制为 16Hz）能让转速更平稳，代价是开关损耗上升——频率与损耗的权衡是所有功率电子设计的永恒话题。
- 输入侧（光电测速）：一圈一个脉冲，闸门时间内计数即得转速。「传感器信号永远先滤波再计数」这条纪律请记牢：光电管输出里的毛刺如果直接进计数器，读数会虚高好几倍。
- 闭环的雏形：本实验把设定、执行、测量三个环节都摆上了桌面，只是还没有把测量值反馈回设定端。把频率计读数与目标转速比较、用误差去自动调整 PWM 设定值，就是一个完整的 PID（或最简单的比例）调速器——这正是下一阶段可以动手扩展的方向。
对比实验开始前的两张表：模拟方案要 D/A、比较器、运放一堆外围；FPGA 方案只要内部两个计数器和一个比较器。这不是简单的省元件，而是把「控制」从模拟量的物理世界搬进了数字寄存器的世界——可复现、可参数化、可一键改设计。
自测
自测
- FPGA 数字 PWM 中「线性递增计数器」和「设定值」分别对应模拟方案里的什么？输出电平的翻转条件是什么？
- C0=4096Hz、CNT8B 是 8 位计数器，本实验输出 PWM 波的频率是多少？怎么算出来的？
- PWM 设定值为什么是「高 4 位来自 CNT4B + 低 4 位恒 1111」？按一次键，占空比变化多大范围？
- 同一个 ERZP 消抖模块，为什么按键路径用 4096Hz 时钟、光电测速路径用 5MHz 时钟？
- 如何在本实验基础上把开环调速改造成闭环调速？需要增加哪些数据通路？