作者：Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

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。

它通過將消息編碼成脈沖信號(hào)來傳輸信息，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。

通過以足夠快的速率和一定的占空比改變數(shù)字信號(hào)開/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。

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+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)。

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，我們將在開關(guān)模式配置中使用簡單的運(yùn)算放大器（更多詳情參見實(shí)驗(yàn)：運(yùn)算放大器用作比較器）來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)過程再次開始。

此電路的優(yōu)勢(shì)是無需使用ADALM2000來生成載波（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±5 V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D1，而放電電流通過D2。根據(jù)電位計(jì)VR1的調(diào)整情況，通過上部分支電路的充電電流電阻與通過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±5 V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。

問題

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

您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問www.analog.com/cn。

作者簡介

Antoniu Miclaus是ADI公司的軟件工程師，負(fù)責(zé)為Linux和無操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序開發(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。