脉宽调制(PWM)的基本原理及其应用实例 Unknown 2009/05/13

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** 原文发表日期:2002-7-1

脉宽调制(PWM: 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。另外,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。此外,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显示了三种不同占空比的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

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