FPGA活用回路＆サンプル記述集（2） ―― モータやLEDを駆動するパワー回路
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技術解説 2009年3月 9日
事例2．パルス波のデューティ比を変えて白色LEDの明るさを調整する回路
森田 一
- 回路図：図2-2
- 主要部品：白色LEDドライバ
- Verilog HDL：リスト2-1
- 外部入力：なし
- 外部出力：pout（PWM出力）
- 内部入力：pw，clk，nreset
- 内部出力：なし
- パラメータ：DIV（PWMの分周比）
- Altera社，Quartus II
PWMはPulse With Modurationの略で，パルス波のデューティ比を変化させて変調する方式のことです．図2-1のようにパルスの周期は固定で，パルス幅を変化させることによって出力の大きさを表現します．
図2-1 PWM変調はパルスの幅を変えて出力の大きさを表現する
図2-1ではパルスの周期を16分割した幅を基準にしてパルスの幅を決めているので，1～16の16段階の値がパルスのデューティ比として表現できます．
簡易的なD-A変換器として使用する際には，出力を平滑化するためのローパス・フィルタを入れます．DCモータの制御の際には，モータ自体がローパス・フィルタとして働くため，あえてフィルタを使わないときもあります．
同じようにPWMでLEDの発光時間を制御することでLEDの調光も可能です．ここでは，米国Catalyst Semiconductor社の白色LEDドライバ「CAT4237」と組み合わせてLEDを調光する例を紹介します（図2-2）．
図2-2 FPGAからのPWM出力を利用しLEDの明るさを調整する回路
PWMはマイコンやDSP（Digital Signal Processor）を用いる場合はタイマのアウトプット・コンペアを利用して実現することもよくあります．今回はFPGAを用いました．
● 任意のパルスの作り方
PWMはフリーランのカウンタとコンパレータから構成されます．図2-3のようにフリーランのカウンタの値が，設定された値より小さい期間'1'を出力します．これをVerilog HDLで記述したものがリスト2-1です．この例では，パルスの周期を256分割しているため，
（入力した値＋1）÷256
のデューティ比のパルスが出力されます．基準となるクロックをまず分周器divで分周して，フリーラン・カウンタcntに与えています．これを設定値pwと比較し，クロックでたたき直してグリッチを消しています．
図2-3 PWMはフリーランのカウンタとコンパレータから構成される
parameter DIV=20 ; ←clkを分周してPWMの周波数を設定する分周比
input [7:0] pw ;←※1
output pout ;
input clk ;
input nreset ;
reg [7:0] cnt ;
reg [15:0] div ;
reg pout ;
always @( posedge clk or negedge nreset )
begin
if( !nreset )begin←※2
pout <= 0 ;
cnt <= 0 ;
div <= 0 ;
end
else begin
div <= (div == DIV )? 0 : div + 1 ; ←clkの分周
cnt <= cnt + ( div == 0 ) ;←※3
pout <= (pw >= cnt );
end
end
endmodule
注1；この例では1周期を256等分してるため（pw+1）/256のdデューティ比のパルスがｐｏｕｔから出力される
注2；リセット時に内部レジスタを初期化
注3；clkの分周器divの値が0の時だけcntをインクリメントする．cntの値が外部から設定したpwの値以下の場合に1を出す
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