PWM脉冲调制技术

图2
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


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。


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 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄 脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术 就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行 控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这 些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉 冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改 变输出频率。
脉宽调制的基本原理 (PWM)
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。

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。

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。



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

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。


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。

THE
END

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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