单极性正弦波脉宽调制电路

测控电路实验报告

一、实验目的

1、学习Multisim 绘制电路图并进行仿真的方法。

2、学习脉宽调制的方法，并用Multisim 实现单极性正弦波的脉宽调制。

3、了解H 形双极式PWM 控制电路的原理。

二、实验器材

Multisim 软件

三、实验原理

1、脉宽调制控制电路的原理

图9-8 PWM 控制电路原理

运算放大器N 在开环状态，可将连续电压信号变成脉冲电压信号。二极管VD 在V 断开时为感性负载RL 提供释放电感储能形成续流回路。N 的反相端输入三个信号：一个是三角波调制信号up ，其频率是主电路所需的开关调制频率；另一个是控制电压uc,其极性与大小随时间可变；再一个是负偏置电压uo,其作用是在uc=0时通过Rp 的调节使比较器的输出电压ub 为宽度相等的正负方波，如图a 所示。当控制电压uc>0时，锯齿波过零的时间提前，结果在输出端得到正半波比负半波窄的调制方波，如图b 所示。当uc<0时锯齿波过零的时间后移，结果在输出端得到正半波比负半波宽的调制方波。

图9-9 锯齿波脉宽调制波形图 式中 u km ——控制信号u k 的最大值 ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=km k 121u u T τ

图9-10 PWM控制负载的波形图

2、脉宽调制电路

脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压-脉宽变换器(亦称V/W电路)。对它的基本要求是死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大，也就是比较器的灵敏度要足够高。

在设计脉宽调制器的实际电路时，应使其简单、可靠，且不受外界干扰。比较器的灵敏度与系统的控制模式、实际控制系统的具体要求等有关，应综合考虑，否则在整个系统的线路处理上会带来一定困难。同时还需考虑与功率转换电路的耦合问题。

3、PWM功率转换电路

根据调制脉冲的极性可分为单极式和双极式调制两种；

根据载波信号和基准信号的频率之间的关系，又可分为同步式和异步式两种。

4、H形控制电路

H型控制电路在控制方式上分双极式、单极式和受限单极式三种

图9-17 H型双极式PWM控制电路及其波形

a）电路原理图b）电压电流波形

图示的H形双极式PWM控制电路由4个大功率晶体管和四个续流二极管组成。4个大功率管分为两组V1、V4为一组，V2和V3为一组。在基极驱动信号ub1=ub4，ub2=ub3=-ub1的作用下，同一组的两个晶体管同时导通或同时关断，两组晶体管自己交替导通和截止。

在[0, τ)期间，V1、V4饱和导通，V2和V3截止，E加在电枢AB两端，uAB=+E；在[τ,T)期间，V1，V4截止，但V3，V3不能立即导通，电枢电流ia沿回路经VD2，VD3续流，uAB=-E。在t>T时ub1,ub4变正，但由于电枢反电动势的作用，V1，V4不能立即导通，ia沿回路经VD4，VD1续流反向电流ia降至零后，VD4，VD1切断，V1，V4，导通。

5、同步式与异步式脉宽调制控制电路

定义：调制控制中，若载波信号为等腰三角波，基准信号采用正弦波，则称为正弦波脉宽调制，简称SPWM。

图9-19 单极性正弦波脉宽调制

若载波信号为等腰三角形，基准信号采用正弦波，则可形成SPWM控制。所谓单极性是指载波信号与基准信号始终保持同极性的关系，即正弦波处于正半周时，载波信号在正值范围内变化，产生正的调制脉冲序列。而正弦波处于富伴周时，产生负的调制脉冲序列。图中，正弦波信号uc的正半波经整流电路输出，与三角波信号up比较产生正脉冲使功率晶体管V1、V4工作，使电源E通过V1、V4在电动机AB两端形成正的电压脉冲UAB；而正弦波信号uc的负半波经倒相形成正半波，再经整流后与三角波比较产生正脉冲使V2、

V3管工作，则在电动机AB两端形成负的电压脉冲UAB。

根据正弦波半周内载波信号的频率，可以确定产生调制脉冲的数目，同时也决定了控制各晶体管的通断次数。采用正弦波调制后的输出电压脉冲UAB具有以下特点：在半个周期内，两边的脉冲宽度小，中间的脉冲宽度大，各脉冲的宽度基本按正弦分布。它比单极性直流脉宽调制的输出电压波形更接近与正弦。

四、实验电路及部分电路功能

该电路运用运放及二极管实现对输入的三角波信号进行处理得到单极性的三角波，即up

该部分电路对正弦波信号进行半波整流，得到uc

该部分电路对反相后的正弦波进行整流，得到-uc。

up与uc通过比较器输入后得到的波形

up与-uc通过比较器输入后得到的波形

该电路是个比较器，通过比较up和uc,up和-uc，产生正弦脉冲，来控制晶体管工作。

正弦波经整流输出与三角波信号up比较产生正脉冲使功率晶体管V1,V2工作，使电源E通过V1,V4，在AB两端形成正的电压脉冲UAB；而正弦波uc的负半波经倒相成正半波再经整流后与三角波比较产生正脉冲使V2、V3管工作，则在AB两端形成负的电压脉冲UBA 2、最终的实验结果

最后的波形：

五、实验遇到的问题及结果分析

通过看书和对电路相关原理的了解，最后把全部电路画了出来，在仿真软件上运行，在未接负载的情况下，结果和预期的结果有些差别；在接了很小的负载的情况下，结果和预期的结果差别就有点大了；通过对每部分电路结果的分析，我认为造成这样结果的的原因有：1、三角波在时间刻度很小时是直线，而且由于比较器采用的是过零比较器，所以在三角波信号和整流过的正弦波信号进入比较器后，输出的结果就有些差别；2、实验中一些电阻和电容的数值也会影响结果的正确性；3、电路中前后电路的相互影响也有可能会影响结果的正确性。处理方法：采用电路产生精度很高的三角波，采用其他类型的比较器，查询相关资料来

修改元件参数使其达到预期的目的。