脈寬(kuan)調制的基本原理及其應用實例(li)

脈寬調制(PWM)是(shi)利用(yong)微處理器的數(shu)字輸出(chu)來對(dui)模擬電路進行控制的一種(zhong)非常有效的技術，廣泛應(ying)用(yong)在從(cong)測量、通信(xin)到功(gong)率控制與變(bian)換的許(xu)多領域中。

模(mo)擬電路

模(mo)擬信號(hao)的(de)值可以連續變化，其時間和(he)幅(fu)度的(de)分辨率都沒有限制。9V電池就(jiu)是一(yi)種模(mo)擬器件，因為它的(de)輸(shu)出(chu)電壓(ya)并不精確(que)(que)地等于9V，而是隨時間發生變化，并可取(qu)(qu)任(ren)何實數值。與此類(lei)似，從(cong)電池吸收的(de)電流也不限定在(zai)(zai)一(yi)組(zu)可能的(de)取(qu)(qu)值范圍之(zhi)內。模(mo)擬信號(hao)與數字信號(hao)的(de)區別在(zai)(zai)于后者的(de)取(qu)(qu)值通(tong)常只能屬(shu)于預(yu)先確(que)(que)定的(de)可能取(qu)(qu)值集(ji)合(he)之(zhi)內，例(li)如在(zai)(zai){0V, 5V}這一(yi)集(ji)合(he)中取(qu)(qu)值。

模擬(ni)(ni)電(dian)壓(ya)和電(dian)流(liu)可(ke)直接用(yong)來進行控(kong)制，如對汽車收音(yin)(yin)機的(de)音(yin)(yin)量(liang)進行控(kong)制。在簡單(dan)的(de)模擬(ni)(ni)收音(yin)(yin)機中，音(yin)(yin)量(liang)旋鈕被連接到一個可(ke)變(bian)電(dian)阻。擰動(dong)旋鈕時(shi)，電(dian)阻值(zhi)變(bian)大或變(bian)小；流(liu)經(jing)這個電(dian)阻的(de)電(dian)流(liu)也隨之增加(jia)或減少，從(cong)而改(gai)變(bian)了驅動(dong)揚聲(sheng)器的(de)電(dian)流(liu)值(zhi)，使音(yin)(yin)量(liang)相應變(bian)大或變(bian)小。與收音(yin)(yin)機一樣，模擬(ni)(ni)電(dian)路的(de)輸(shu)出與輸(shu)入成線(xian)性(xing)比例。

盡管模擬(ni)控制看起(qi)來(lai)可(ke)(ke)能(neng)(neng)直(zhi)觀(guan)而(er)簡單，但它并(bing)不總是非常經濟或可(ke)(ke)行的(de)。其(qi)中一點就(jiu)是，模擬(ni)電(dian)路(lu)容易隨時(shi)間漂移(yi)，因而(er)難以調(diao)節。能(neng)(neng)夠解決這(zhe)個(ge)問(wen)題的(de)精密模擬(ni)電(dian)路(lu)可(ke)(ke)能(neng)(neng)非常龐大、笨重(zhong)(如(ru)老式的(de)家庭立體聲(sheng)(sheng)設備)和昂(ang)貴。模擬(ni)電(dian)路(lu)還有可(ke)(ke)能(neng)(neng)嚴(yan)重(zhong)發(fa)熱，其(qi)功(gong)耗相(xiang)對于工作元(yuan)件兩端電(dian)壓與(yu)電(dian)流(liu)(liu)的(de)乘(cheng)積成正比(bi)。模擬(ni)電(dian)路(lu)還可(ke)(ke)能(neng)(neng)對噪聲(sheng)(sheng)很敏感，任何(he)擾動或噪聲(sheng)(sheng)都(dou)肯定會改變電(dian)流(liu)(liu)值的(de)大小。

數字控制(zhi)

通過(guo)以數(shu)字方式控制(zhi)(zhi)模擬(ni)電路(lu)，可(ke)以大幅度降低(di)系(xi)統的(de)成(cheng)本和(he)功耗。此外，許多微控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)和(he)DSP已經(jing)在芯(xin)片上(shang)包含了PWM控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)，這使數(shu)字控制(zhi)(zhi)的(de)實現變得(de)更加容(rong)易了。

簡而言之(zhi)，PWM是一(yi)種對模(mo)擬信(xin)號電平進行(xing)數字編(bian)碼的方法。通(tong)過高(gao)分辨率計數器的使用(yong)，方波的占空(kong)比被(bei)調(diao)制(zhi)用(yong)來(lai)對一(yi)個具體(ti)模(mo)擬信(xin)號的電平進行(xing)編(bian)碼。PWM信號仍然是數(shu)字的，因為在給定(ding)的任何時刻，滿幅值(zhi)的直(zhi)流供(gong)電要么完(wan)全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源(yuan)是以一種通(ON)或斷(duan)(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

圖1顯示了三種不同的PWM信號。圖1a是一個占空比為10%的PWM輸出，即在信號周期中，10％的時間(jian)通，其余90％的時間斷。圖1b和圖1c顯示的分(fen)別是占空比為50%和90%的PWM輸(shu)出(chu)。這(zhe)三種PWM輸(shu)出編(bian)碼的分別是強度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模(mo)擬信號值。例(li)如，假設供電(dian)電(dian)源為9V，占空比為10%，則對(dui)應的(de)是一個幅度為0.9V的模(mo)擬(ni)信號。

圖2是一(yi)(yi)個可以(yi)使(shi)用PWM進(jin)行(xing)驅動(dong)的簡單電路。圖中(zhong)(zhong)使(shi)用9V電池來(lai)給一(yi)(yi)個白熾燈泡供電。如(ru)(ru)果(guo)將連接(jie)(jie)電池和燈泡的開(kai)(kai)關閉合50ms，燈泡在(zai)這(zhe)段時間中(zhong)(zhong)將得到9V供電。如(ru)(ru)果(guo)在(zai)下一(yi)(yi)個50ms中(zhong)(zhong)將開(kai)(kai)關斷開(kai)(kai)，燈泡得到的供電將為0V。如(ru)(ru)果(guo)在(zai)1秒鐘內將此(ci)過程重復10次，燈泡將會點亮并(bing)象連接(jie)(jie)到了一(yi)(yi)個4.5V電池(9V的50%)上(shang)一(yi)(yi)樣。這(zhe)種情況下，占空比為50%，調制頻率為10Hz。

大多數(shu)負載(zai)(無論是電(dian)感(gan)性負載(zai)還是電(dian)容性負載(zai))需要(yao)的調(diao)制(zhi)頻(pin)率(lv)(lv)高于10Hz。設(she)想一(yi)(yi)下如果燈(deng)泡(pao)先接通5秒再斷(duan)開5秒，然后再接通、再斷(duan)開……。占空比仍然是50%，但(dan)燈(deng)泡(pao)在(zai)頭5秒鐘內(nei)(nei)將(jiang)點亮(liang)，在(zai)下一(yi)(yi)個5秒鐘內(nei)(nei)將(jiang)熄滅。要(yao)讓燈(deng)泡(pao)取得4.5V電(dian)壓的供電(dian)效(xiao)(xiao)果，通斷(duan)循環周期與(yu)負載(zai)對開關狀態變化的響應時間(jian)相比必須(xu)足夠短。要(yao)想取得調(diao)光燈(deng)(但(dan)保持點亮(liang))的效(xiao)(xiao)果，必須(xu)提高調(diao)制(zhi)頻(pin)率(lv)(lv)。在(zai)其他PWM應用場(chang)合也有(you)同樣的要(yao)求。通常調(diao)制(zhi)頻(pin)率(lv)(lv)為1kHz到200kHz之間(jian)。

硬件控(kong)制(zhi)器(qi)

許多微(wei)控制器內(nei)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司(si)的PIC16C67內(nei)含兩(liang)個PWM控制器，每一(yi)個都可以選(xuan)擇接通時間(jian)和(he)周(zhou)期。占(zhan)空比(bi)是接通時間(jian)與周(zhou)期之比(bi)；調制頻率為周(zhou)期的倒數。執行PWM操作(zuo)之前，這(zhe)種微(wei)處理器要求在軟(ruan)件中(zhong)完成(cheng)以下工作(zuo)：

* 設置提供調制方(fang)波的(de)片上定時(shi)器/計數器的(de)周(zhou)期

* 在PWM控制寄存器(qi)中設(she)置接(jie)通時間

* 設置PWM輸(shu)出的方向，這個(ge)輸(shu)出是一(yi)個(ge)通用(yong)I/O管腳

* 啟動定時(shi)器

* 使(shi)能(neng)PWM控(kong)制(zhi)器

雖然具(ju)體的PWM控(kong)制器在編程細節上會有所不同(tong)，但(dan)它們(men)的基本(ben)思想通常是相(xiang)同(tong)的。

通(tong)信與控制

PWM的(de)一個優點是從處(chu)理器(qi)到(dao)被控系統信號都(dou)是數(shu)字形(xing)式的(de)，無需進(jin)行數(shu)模轉換。讓信號保持為數(shu)字形(xing)式可將噪聲(sheng)影響(xiang)降到(dao)最小。噪聲(sheng)只有在強到(dao)足以將邏(luo)輯(ji)(ji)1改變為邏(luo)輯(ji)(ji)0或將邏(luo)輯(ji)(ji)0改變為邏(luo)輯(ji)(ji)1時，也才能(neng)對數(shu)字信號產(chan)生影響(xiang)。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

PWM廣(guang)泛應用(yong)在多(duo)種(zhong)(zhong)系統中(zhong)。作(zuo)為一(yi)個具體(ti)的(de)例子(zi)，我們來(lai)(lai)考察一(yi)種(zhong)(zhong)用(yong)PWM控制(zhi)的(de)制(zhi)動(dong)器。簡單地說，制(zhi)動(dong)器是緊(jin)夾(jia)住某種(zhong)(zhong)東(dong)西(xi)的(de)一(yi)種(zhong)(zhong)裝置。許多(duo)制(zhi)動(dong)器使用(yong)模(mo)擬輸入信號來(lai)(lai)控制(zhi)夾(jia)緊(jin)壓力(或制(zhi)動(dong)功率)的(de)大小(xiao)。加在制(zhi)動(dong)器上(shang)的(de)電壓或電流越(yue)(yue)大，制(zhi)動(dong)器產(chan)生的(de)壓力就越(yue)(yue)大。

可(ke)(ke)以(yi)(yi)將PWM控制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)的(de)(de)輸(shu)出連接(jie)到電源與(yu)制(zhi)(zhi)(zhi)動器(qi)之間的(de)(de)一個(ge)(ge)開關。要產(chan)生更(geng)大(da)的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)動功率，只需通過(guo)軟件(jian)加大(da)PWM輸(shu)出的(de)(de)占(zhan)空(kong)比(bi)就可(ke)(ke)以(yi)(yi)了(le)。如果要產(chan)生一個(ge)(ge)特定(ding)大(da)小的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)動壓力，需要通過(guo)測量來確(que)定(ding)占(zhan)空(kong)比(bi)和壓力之間的(de)(de)數學關系(所得的(de)(de)公式或查(cha)找(zhao)表(biao)經過(guo)變換可(ke)(ke)用于控制(zhi)(zhi)(zhi)溫度、表(biao)面磨損等等)。

例如，假設(she)要將(jiang)制(zhi)動(dong)器(qi)上的壓(ya)力設(she)定為100psi，軟(ruan)件將(jiang)作一次反向查找，以確定產(chan)生這(zhe)個大小的壓(ya)力的占空(kong)比(bi)(bi)(bi)應該是多少。然(ran)后再將(jiang)PWM占空(kong)比(bi)(bi)(bi)設(she)置(zhi)為這(zhe)個新(xin)值，制(zhi)動(dong)器(qi)就可以相應地(di)進行響(xiang)應了。如果系統中有一個傳(chuan)感器(qi)，則可以通過閉環控制(zhi)來調節占空(kong)比(bi)(bi)(bi)，直到精確產(chan)生所需的壓(ya)力。

總之，PWM既經(jing)濟、節約空(kong)間、抗噪性(xing)能強，是一種值得廣大工程師在(zai)許多設(she)計應用中使(shi)用的有效技術。