脈寬調制的基本原理及其應用實(shí)例

脈寬調制(PWM)是利用微處理器的數字輸出來(lái)對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

模擬電路

模擬信號的值可以連續變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒(méi)有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數值。與此類(lèi)似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內。模擬信號與數字信號的區別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內，例如在{0V, 5V}這一集合中取值。

模擬電壓和電流可直接用來(lái)進(jìn)行控制，如對汽車(chē)收音機的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變小；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅動(dòng)揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線(xiàn)性比例。

盡管模擬控制看起來(lái)可能直觀(guān)而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調節。能夠解決這個(gè)問(wèn)題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設備)和昂貴。模擬電路還有可能?chē)乐匕l(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì )改變電流值的大小。

數字控制

通過(guò)以數字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數字控制的實(shí)現變得更加容易了。

簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來(lái)對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時(shí)刻，滿(mǎn)幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

圖1顯示了三種不同的PWM信號。圖1a是一個(gè)占空比為10%的PWM輸出，即在信號周期中，10％的時(shí)間通，其余90％的時(shí)間斷。圖1b和圖1c顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強度為滿(mǎn)度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號值。例如，假設供電電源為9V，占空比為10%，則對應的是一個(gè)幅度為0.9V的模擬信號。

圖2是一個(gè)可以使用PWM進(jìn)行驅動(dòng)的簡(jiǎn)單電路。圖中使用9V電池來(lái)給一個(gè)白熾燈泡供電。如果將連接電池和燈泡的開(kāi)關(guān)閉合50ms，燈泡在這段時(shí)間中將得到9V供電。如果在下一個(gè)50ms中將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內將此過(guò)程重復10次，燈泡將會(huì )點(diǎn)亮并象連接到了一個(gè)4.5V電池(9V的50%)上一樣。這種情況下，占空比為50%，調制頻率為10Hz。

大多數負載(無(wú)論是電感性負載還是電容性負載)需要的調制頻率高于10Hz。設想一下如果燈泡先接通5秒再斷開(kāi)5秒，然后再接通、再斷開(kāi)……。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘內將點(diǎn)亮，在下一個(gè)5秒鐘內將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負載對開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化的響應時(shí)間相比必須足夠短。要想取得調光燈(但保持點(diǎn)亮)的效果，必須提高調制頻率。在其他PWM應用場(chǎng)合也有同樣的要求。通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。

硬件控制器

許多微控制器內部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調制頻率為周期的倒數。執行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：

* 設置提供調制方波的片上定時(shí)器/計數器的周期

* 在PWM控制寄存器中設置接通時(shí)間

* 設置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳

* 啟動(dòng)定時(shí)器

* 使能PWM控制器

雖然具體的PWM控制器在編程細節上會(huì )有所不同，但它們的基本思想通常是相同的。

通信與控制

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無(wú)需進(jìn)行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對數字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長(cháng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當的RC或LC網(wǎng)絡(luò )可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

PWM廣泛應用在多種系統中。作為一個(gè)具體的例子，我們來(lái)考察一種用PWM控制的制動(dòng)器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，制動(dòng)器是緊夾住某種東西的一種裝置。許多制動(dòng)器使用模擬輸入信號來(lái)控制夾緊壓力(或制動(dòng)功率)的大小。加在制動(dòng)器上的電壓或電流越大，制動(dòng)器產(chǎn)生的壓力就越大。

可以將PWM控制器的輸出連接到電源與制動(dòng)器之間的一個(gè)開(kāi)關(guān)。要產(chǎn)生更大的制動(dòng)功率，只需通過(guò)軟件加大PWM輸出的占空比就可以了。如果要產(chǎn)生一個(gè)特定大小的制動(dòng)壓力，需要通過(guò)測量來(lái)確定占空比和壓力之間的數學(xué)關(guān)系(所得的公式或查找表經(jīng)過(guò)變換可用于控制溫度、表面磨損等等)。

例如，假設要將制動(dòng)器上的壓力設定為100psi，軟件將作一次反向查找，以確定產(chǎn)生這個(gè)大小的壓力的占空比應該是多少。然后再將PWM占空比設置為這個(gè)新值，制動(dòng)器就可以相應地進(jìn)行響應了。如果系統中有一個(gè)傳感器，則可以通過(guò)閉環(huán)控制來(lái)調節占空比，直到精確產(chǎn)生所需的壓力。

總之，PWM既經(jīng)濟、節約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術(shù)。