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脉冲宽度变调电路(PWM电路)

脉冲宽度变调电路(PWM电路)

  • 分类:技术支持
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2021-04-05 09:16
  • 访问量:

脉冲宽度变调电路(PWM电路)

  • 分类:技术支持
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脉冲宽度调制技 (PWM)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一种技术,这种技术广泛地应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

PWM是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置,以实现晶体管或MOS管导通时间的改变,从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM控制技术以其控制简单,灵活以及动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置。

一、脉冲宽度调制技术的分类

从调制脉冲的极性看,PWM又可分为单极性与双极性控制模式两种。

单极性PWM控制模式首先由同极性的三角波载波信号ut。与调制信号ur产生单极性的PWM脉冲;然后将单极性的PWM脉冲信号与倒相信号UI相乘,从而得到正负半波对称的PWM脉冲信号Ud。

双极性PWM控制模式采用的是正负交变的双极性三角载波ut与调制波ur,可通过ut与ur,的比较直接得到双极性的PWM脉冲,而不需要倒相电路。

除以上两种从原理不同的角度,对调制方法进行的分类外,近些年采用芯片直接进行脉宽调制的方式被更多的用户所接受。信号调理领域经常需要面对模拟量信号的传输、采集、控制等问题,传统的信号链电路包括模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、运算放大器(OpAmp)、比较器(Comparator)等等,它们扮演者模拟信号处理的主要角色。信号链芯片的功能基础而强大,经过精心的设计后能形成多种多样优秀的信号处理电路,但即便如此,在很多应用领域,依然存在瓶颈和制约,无法达到理想的电路性能和指标。所以在信号链领域渴望出现更多创新的模拟电路处理技术和芯片产品。一种新型的模拟信号处理专用芯片,它实现了模拟信号向PWM信号高精度转换功能,我们称它为APC(Analog to PWM Convertor)。

二、脉冲宽度调制的具体过程

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。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。

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,通常调制频率为1kHz到200kHz之间。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:

1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期

2、 在PWM控制寄存器中设置接通时间

3、设置PWM输出的方向,这个输出是一个通用I/O管脚

4、启动定时器

5、使能PWM控制器

如今几乎所有市售的单片机都有PWM模块功能,若没有(如早期的8051),也可以利用定时器及GPIO口来实现。更为一般的PWM模块控制流程为(笔者使用过TI的2000系列,AVR的Mega系列,TI的LM系列):

1、使能相关的模块(PWM模块以及对应管脚的GPIO模块)。

2、配置PWM模块的功能,具体有:

1)设置PWM定时器周期,该参数决定PWM波形的频率。

2)设置PWM定时器比较值,该参数决定PWM波形的占空比。

3)设置死区(deadband),为避免桥臂的直通需要设置死区,一般较高档的单片机都有该功能。

4)设置故障处理情况,一般为故障是封锁输出,防止过流损坏功率管,故障一般有比较器或ADC或GPIO检测。

5)设定同步功能,该功能在多桥臂,即多PWM模块协调工作时尤为重要。

3、设置相应的中断,编写ISR,一般用于电压电流采样,计算下一个周期的占空比,更改占空比,这部分也会有PI控制的功能。

4、使能PWM波形发生。

三、脉冲宽度调制技术的优点

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。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。

四、脉冲宽度调制技术的应用领域

伺服

脉冲宽度调制可以用于控制伺服机构

能量的传递

脉冲宽度调制可以被用来控制对于一个载流子能量传递的多少,而不会产生由阻抗所造成的线性能量传递损失。此方法所需要付出的代价是,载流子所流失的能量并非一个常数且是不连续的(如降压式变换器),载流子上传递的能量也不是连续的。然而,由于载流子可能是具有高频电感性的,这时就必须要外加一个被动的电子滤波器,让这些脉冲波变为平滑且能复原平均的模拟波型,能量流入载流子才会是连续的。而从供应端流出的能量则不是连续的,因此大部分情况下需要额外的能量储存空间。

电信

在电信使用上,脉冲宽度调制是一种信号调制的形式,其脉冲波的宽度对应到另一个特定资料会在传送端被编码,并于接收端解码。 不同长度的脉冲波(要传递的讯息本身)将会每隔固定的时间后被传递(载波的频率)。

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