PWM(脉宽调制)的基本原理及其应用实例.pdfVIP

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。