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PWM(脉宽调制)的基础道理及其使用实例

文章作者:  发布日期:2019-11-15 10:16

  

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PWM(脉宽调制)的基础道理及其使用实例

  PWM(脉宽调制)的基本原理及其应用实例 脉宽调制(Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的 一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 模拟电路 模拟信号的值可以连续变化,其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V 电池就是一种模 拟器件,因为它的输出电压并不精确地等于 9V,而是随时间发生变化,并可取任何实数值。 与此类似, 从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区 别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内,例如在{0V, 5V}这一集合中取 值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制,如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟 收音机中,音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时,电阻值变大或变小;流经这个电阻 的电流也随之增加或减少,从而改变了驱动扬声器的电流值,使音量相应变大或变小。与收音 机一样,模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单, 但它并不总是非常经济或可行的。 其中一点就是, 模拟电路容易随时间漂移,因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、 笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热,其功耗相对于工作元件 两端电压与电流的乘积成正比。 模拟电路还可能对噪声很敏感,任何扰动或噪声都肯定会改变 电流值的大小。 数字控制 通过以数字方式控制模拟电路,可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外,许多微控制 器和 DSP 已经在芯片上包含了 PWM 控制器,这使数字控制的实现变得更加容易了。 简而言之,PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的 使用,方波的占空比被调制用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)。电压或 电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流 供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够,任何模拟值都可 以使用 PWM 进行编码。 图 1 显示了三种不同的 PWM 信号。图 1a 是一个占空比为 10%的 PWM 输出,即在信号 周期中,10%的时间通,其余 90%的时间断。图 1b 和图 1c 显示的分别是占空比为 50%和 90%的 PWM 输出。这三种 PWM 输出编码的分别是强度为满度值的 10%、50%和 90%的三 种不同模拟信号值。例如,假设供电电源为 9V,占空比为 10%,则对应的是一个幅度为 0.9V 的模拟信号。 图 2 是一个可以使用 PWM 进行驱动的简单电路。图中使用 9V 电池来给一个白炽灯泡 供电。如果将连接电池和灯泡的开关闭合 50ms,灯泡在这段时间中将得到 9V 供电。如果在 下一个 50ms 中将开关断开,灯泡得到的供电将为 0V。如果在 1 秒钟内将此过程重复 10 次, 灯泡将会点亮并象连接到了一个 4.5V 电池(9V 的 50%)上一样。 这种情况下, 占空比为 50%, 调制频率为 10Hz。 大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于 10Hz。设想一下 如果灯泡先接通 5 秒再断开 5 秒,然后再接通、再断开……。占空比仍然是 50%,但灯泡在头 5 秒钟内将点亮,在下一个 5 秒钟内将熄灭。要让灯泡取得 4.5V 电压的供电效果,通断循环 周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果, 必须提高调制频率。在其他 PWM 应用场合也有同样的要求。通常调制频率为 1kHz 到 200kHz 之间。 硬件控制器 许多微控制器内部都包含有 PWM 控制器。例如,Microchip 公司的 PIC16C67 内含两个 PWM 控制器,每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比;调制频率 为周期的倒数。执行 PWM 操作之前,这种微处理器要求在软件中完成以下工作: * 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 * 在 PWM 控制寄存器中设置接通时间 * 设置 PWM 输出的方向,这个输出是一个通用 I/O 管脚 * 启动定时器 * 使能 PWM 控制器 虽然具体的 PWM 控制器在编程细节上会有所不同,但它们的基本思想通常是相同的。 通信与控制 PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,无需进行数模转换。让 信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。 噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0 或将 逻辑 0 改变为逻辑 1 时,也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点,而且这也是在某些时 候将 PWM 用于通信的主要原因。 从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离。 在接收端, 通过适当的 RC 或 LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 PWM 广泛应用在多种系统中。作为一个具体的例子,我们来考察一种用 PWM 控制的 制动器。简单地说,制动器是紧夹住某种东西的一种装置。许多制动器使用模拟输入信号来控 制夹紧压力(或制动功率)的大小。 加在制动器上的电压或电流越大, 制动器产生的压力就越大。 可以将 PWM 控制器的输出连接到电源与制动器之间的一个开关。要产生更大的制动功 率,只需通过软件加大 PWM 输出的占空比就可以了。如果要产生一个特定大小的制动压力, 需要通过测量来确定占空比和压力之间的数学关系(所得的公式或查找表经过变换可用于控制 温度、表面磨损等等)。 例如,假设要将制动器上的压力设定为 100psi,软件将作一次反向查找,以确定产生这 个大小的压力的占空比应该是多少。然后再将 PWM 占空比设置为这个新值,制动器就可以相 应地进行响应了。如果系统中有一个传感器,则可以通过闭环控制来调节占空比,直到精确产 生所需的压力。 总之,PWM 既经济、节约空间、抗噪性能强,是一种值得广大工程师在许多设计应用 中使用的有效技术。

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