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pwm [电子森林]

PWM(脉冲宽度调制)原理、应用以及实现1. PWM的原理

PWM(Pulse Width Modulation)全称脉冲宽度调制,它通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。

面积等效原理

面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。原理内容:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。

冲量即指窄脉冲的面积。 效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析,则其低频段非常接近,仅在高频 段略有差异。 将图1a、b、c、d所示的脉冲作为输入,加在图2a所示的R-L电路 上,设其电流i(t)为电路的输出,图2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。

图1:形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图2:冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用PWM波代替正弦半波

将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为π/N,但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部 分面积(冲量)相等,这就是PWM波形。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM(Sinusoidal PWM)波形。基于等效面积原理,PWM波形还可以等效成其他所需要的波形,如等效所需要的非正弦交流波形等。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种,由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。

图3:用PWM波代替正弦半波调制法生成PWM波形

把希望输出的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。最简单可以产生一个脉冲宽度调制信号的方式是交集性方法(intersective method),这个方法只需要使用锯齿波或三角波以及一个比较器。当参考的信号值(红色波)比锯齿波(蓝色波) 大,则脉冲调制后的结果会在高状态,反之,则在低状态。

红色:调制信号;蓝色:载波信号;紫色:已调制信号

PWM信号参数

周期:信号变化的过程中,某段波形重复出现,其某一次开始至结束的这段时间就称为“周期“。脉宽:在一个周期内正脉冲的持续时间。占空比:是在一串理想的脉冲系列中,脉宽与周期的比值。例如在上图中t为正脉冲的持续时间,T为脉冲周期,占空比为t/T。

2. PWM的应用 使用PWM制作呼吸灯 使用PWM对LED调光 使用PWM制作电子琴 使用PWM驱动舵机 使用PWM驱动步进电机 使用PWM驱动直流减速电机 使用PWM实现DAC的功能 使用PWM实现直流稳压3. PWM的实现方式

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信号仍然是数字信号,而且幅值相等,在任意时刻,输出的信号就只有1(ON)或者0(OFF)两个状态,具体是0还是1,则由控制器来控制,也由控制器的精度决定。只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 既然PWM是数字信号,那么任何具有高低电平可控输出功能的数字芯片都可以生成PWM,比如最常用有微控制器(MCU),可编程逻辑FPGA,或是LED驱动控制芯片如PCA9685,以及各种电源用的控制芯片,以上都可以产生PWM波形,所以说PWM应用实在是太广了。

Sigma Delta调制

模拟器件搭建PWM电路

参考西安交大杨振国教授《新概念模拟电路V》 https://www.engineersgarage.com/circuit_design/diy-circuit-design-pulse-width-modulation-pwm/3.1 单片机(MCU)生成PWM

使用MCU生成PWM是最简单的方式,PWM发生功能和定时器功能是一起的,一种方法是使用软件设置定时器的定时时间,定时时间到翻转IO的高低电平,由于是软件来翻转电平,因此精度不能做到非常精确;另一种是直接使用定时器中的PWM功能,在定时器模块中已经集成了专用的PWM发生电路,用户只需要配置一下该模块的寄存器,在寄存器中配置好PWM的频率和占空比,软件使能该功能后,就可以输出精准的PWM波形。

微控制器通过定时器输出PWM,再经过模拟低通滤波器得到模拟信号

每一路可以产生不同的信号

微控制器的软件流程

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