目標(biāo)

在此實(shí)驗(yàn)中，我們將研究脈寬調(diào)制及其在各種應(yīng)用中的使用情況。

脈寬調(diào)制(PWM)是一種將模擬信號(hào)編碼為單個(gè)數(shù)字位的方法。PWM信號(hào)由定義其行為的兩個(gè)主要分量組成：占空比和頻率。

它通過(guò)將消息編碼成脈沖信號(hào)來(lái)傳輸信息，可用于電機(jī)等電子設(shè)備的功率控制，也可用作光伏太陽(yáng)能電池充電器的主要算法。

占空比描述了信號(hào)處于高電平（開(kāi)啟）狀態(tài)的時(shí)間占完成一個(gè)周期總時(shí)間的百分比（圖1）。

圖1 占空比

圖2為占空比為0%、25%和100%的脈沖序列。

圖2 占空比為0%、25%和100%的脈沖序列

頻率決定PWM完成一個(gè)周期的速度，從而決定高低狀態(tài)之間切換的速度。

通過(guò)以足夠快的速率和一定的占空比改變數(shù)字信號(hào)開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，當(dāng)向響應(yīng)速度比PWM頻率慢得多的器件（如音頻揚(yáng)聲器、電機(jī)和電磁閥執(zhí)行器）供電時(shí)，輸出將表現(xiàn)為恒定的電壓模擬信號(hào)。

材料

●   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

●   無(wú)焊試驗(yàn)板和跳線套件

●   一個(gè)OP97運(yùn)算放大器

●   一個(gè)1 kΩ電阻

●   一個(gè)10 kΩ電位計(jì)

脈寬調(diào)制——工作原理

PWM是一種從高頻脈沖生成低頻輸出信號(hào)的技術(shù)。通過(guò)在高低直流軌電壓之間快速切換逆變器橋臂的輸出電壓，其低頻輸出電壓可視為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均電壓。

除此之外，還有其他幾種生成脈寬調(diào)制信號(hào)的方法，包括模擬技術(shù)、Σ-Δ調(diào)制和直接數(shù)字頻率合成。

較簡(jiǎn)單的PWM信號(hào)生成方法是比較兩個(gè)控制信號(hào)：載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)。這稱為基于載波的PWM。載波信號(hào)為高頻（開(kāi)關(guān)頻率）三角波形。調(diào)制信號(hào)可以為任何形狀。

使用這種方法，輸出波形可以是任何所需波形的PWM表示。對(duì)于機(jī)器而言，正弦波和梯形波最為常見(jiàn)。

請(qǐng)考慮圖3所示的電路。

圖3 PWM工作原理

根據(jù)PWM原理，運(yùn)算放大器的負(fù)輸入采用載波信號(hào)，正輸入采用調(diào)制信號(hào)。因此，較高的調(diào)制信號(hào)會(huì)使輸出在PWM周期內(nèi)更長(zhǎng)時(shí)間保持高電平。

硬件設(shè)置

構(gòu)建PWM的試驗(yàn)板電路（圖4）。

程序步驟

第一個(gè)波形發(fā)生器用于生成載波信號(hào)，向電路提供4 V峰峰值幅度、2.5 V偏移、1 kHz三角波激勵(lì)。第二個(gè)波形發(fā)生器用于生成3 V峰峰值幅度、2.5 V偏移、50 Hz正弦波的調(diào)制信號(hào)。

圖4 PWM工作原理——試驗(yàn)板電路

為運(yùn)算放大器提供+5V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號(hào)，通道2上顯示輸出信號(hào)。

圖5為包含兩個(gè)輸入信號(hào)的兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器通道，其中，橙色為載波信號(hào)，紫色為調(diào)制信號(hào)。

圖5 輸入信號(hào)

圖6為示波器通道2上的輸出信號(hào)圖。

圖6 PWM輸出

如果調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)幅度在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)大于載波信號(hào)，則輸出將為高電平。如果調(diào)制信號(hào)低于載波信號(hào)，則輸出將為低電平。

如果調(diào)制信號(hào)峰值小于載波信號(hào)的峰值，則輸出將為調(diào)制信號(hào)的真實(shí)PWM表示。

使用直流調(diào)制電壓進(jìn)行脈寬控制

背景知識(shí)

針對(duì)此項(xiàng)應(yīng)用，我們將在開(kāi)關(guān)模式配置中使用簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器來(lái)演示直流電壓的脈寬調(diào)制。

請(qǐng)考慮圖7所示的電路。

圖7 使用直流調(diào)制電壓進(jìn)行脈寬控制

該電路可用作簡(jiǎn)單的比較器，其中運(yùn)算放大器的負(fù)輸入連接到載波波形，而正輸入作為閾值電壓，用于確定何時(shí)在高壓輸出和低壓輸出之間轉(zhuǎn)換。電位計(jì)作為輸入基準(zhǔn)電壓的分壓器，用于調(diào)整閾值電壓以及間接調(diào)整輸出信號(hào)的占空比。

硬件設(shè)置

構(gòu)建使用直流調(diào)制電壓進(jìn)行脈寬控制的試驗(yàn)板電路（圖8）。

圖8 使用直流調(diào)制電壓進(jìn)行脈寬控制——試驗(yàn)板電路

程序步驟

將第一個(gè)波形發(fā)生器用作VIN源，向電路提供幅度為5 V峰峰值的1 kHz三角波激勵(lì)。將第二個(gè)波形發(fā)生器用作具有5 V峰峰值幅度的恒定電壓源。向運(yùn)算放大器提供+5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號(hào)，通道2上顯示輸出信號(hào)。

波形圖如圖9所示。

圖9 使用直流調(diào)制電壓進(jìn)行脈寬控制——波形

輸出信號(hào)是輸入電壓的PWM表示。請(qǐng)注意，通過(guò)改變電位計(jì)值，信號(hào)占空比會(huì)發(fā)生變化，而頻率保持不變。

使用非穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器生成固定50%占空比的PWM信號(hào)

背景知識(shí)

請(qǐng)考慮圖10所示的電路。

圖10 使用非穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號(hào)

該電路顯示使用單個(gè)運(yùn)算放大器的非穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。考慮施密特觸發(fā)器的功能原理時(shí)，該功能很容易理解（在實(shí)驗(yàn)：運(yùn)算放大器用作比較器中研究的具有遲滯功能的比較器電路）：施密特觸發(fā)器的輸入端與運(yùn)算放大器的反相輸入相同，它通過(guò)電阻電容網(wǎng)絡(luò)連接到電路的輸出端。當(dāng)電容電壓（也是施密特觸發(fā)器的輸入端）低于閾值下限時(shí)，輸出電壓等于電路的正電源電壓?，F(xiàn)在通過(guò)電阻R3對(duì)電容充電，直至達(dá)到施密特觸發(fā)器的閾值上限。因此，可以將運(yùn)算放大器的輸出電壓驅(qū)動(dòng)到負(fù)電源電壓?，F(xiàn)在通過(guò)R3對(duì)電容放電，直到器件上的電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器的閾值下限。運(yùn)算放大器的輸出電壓會(huì)被驅(qū)動(dòng)到正電源電壓，整個(gè)過(guò)程再次開(kāi)始。

此電路的優(yōu)勢(shì)是無(wú)需使用ADALM2000來(lái)生成載波（但占空比固定為50%）。

硬件設(shè)置

構(gòu)建使用非穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號(hào)的試驗(yàn)板電路（圖11）。

圖11 使用非穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號(hào)的試驗(yàn)板電路

程序步驟

向電路提供±5V電源電壓。配置示波器，以使輸出信號(hào)顯示在通道1上。

圖12為示波器通道1上的輸出信號(hào)圖。

圖12 使用非穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號(hào)的輸出波形

請(qǐng)注意，輸出信號(hào)的占空比約為50%，而低/高電壓值往往達(dá)到正/負(fù)電源電壓值。

其他操作

在前一個(gè)示例中，我們使用非穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器生成了50%固定占空比的PWM信號(hào)。但是，我們?nèi)绾握{(diào)整占空比呢？為此，我們需要稍微修改一下電路。

請(qǐng)看圖13所示的電路。

圖13 調(diào)整使用觸發(fā)器生成PWM信號(hào)電路的占空比

圖10所示的電阻R3被電位計(jì)取代，并插入兩個(gè)二極管?，F(xiàn)在電容的充電電流通過(guò)D1，而放電電流通過(guò)D2。根據(jù)電位計(jì)VR1的調(diào)整情況，通過(guò)上部分支電路的充電電流電阻與通過(guò)下部分支電路的放電電流電阻不同。

硬件設(shè)置

構(gòu)建試驗(yàn)板電路，該電路用于調(diào)整使用觸發(fā)器生成PWM信號(hào)電路的占空比（圖14）。

圖14 用于調(diào)整使用觸發(fā)器生成PWM信號(hào)電路的占空比的試驗(yàn)板電路

程序步驟

向電路提供±5V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸出信號(hào)，通道2上顯示電容電壓（運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端）。

改變電位計(jì)值并注意占空比的變化。產(chǎn)生的波形如圖15所示。

圖15 調(diào)整使用非穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號(hào)波形的占空比

在此示例中，占空比設(shè)置為約25%。當(dāng)占空比改變時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率難免會(huì)略有變化，因?yàn)榉聪嗪屯噍斎攵说膬蓚€(gè)耦合網(wǎng)絡(luò)都會(huì)連接到運(yùn)算放大器的輸出端。

問(wèn)題

您能列舉一些有效使用脈寬調(diào)制的實(shí)際應(yīng)用嗎？

作者簡(jiǎn)介

Antoniu Miclaus是ADI公司的軟件工程師，負(fù)責(zé)為L(zhǎng)inux和無(wú)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)嵌入式軟件，同時(shí)從事ADI教學(xué)項(xiàng)目、QA自動(dòng)化和流程管理工作。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他擁有巴比什-波雅依大學(xué)軟件工程碩士學(xué)位，以及克盧日-納波卡技術(shù)大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。