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脈寬調變的基本原理及其應用實例

上網時間: 2002年07月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:PWM  PIC16C67  制動器  DSP  微控制器 

脈寬調變(PWM)是利用微處理器的數位輸出來對類比電路進行控制的一種非常有效的技術,廣泛應用在從測量、通訊到功率控制與變換的許多領域中。

類比電路

類比信號的值可以連續變化,其時間和幅度的解析度都沒有限制。9V電池就是一種類比元件,因為它的輸出電壓並不精確地等於9V,而是隨時間產生變化,並可取任何實數值。與此類似,從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值範圍之內。類比信號與數位信號的區別在於後者的取值通常只能屬於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。

類比電壓和電流可直接用來進行控制,如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的類比收音機中,音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時,電阻值變大或變小;流經這個電阻的電流也隨之增加或減少,從而改變了驅動揚聲器的電流值,使音量相應變大或變小。與收音機一樣,類比電路的輸出與輸入成線性比例。

儘管類比控制看起來可能直觀而簡單,但它並不總是非常經濟或可行的。其中一點就是,類比電路容易隨時間漂移,因而難以調節。能夠解決這個問題的精密類比電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設備)和昂貴。類比電路還有可能嚴重發熱,其功耗相對於工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。類比電路還可能對噪聲很敏感,任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。

數位控制

藉由以數位方式控制類比電路,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已經在晶片上包含了PWM控制器,這使數位控制的實現變得更加容易了。

簡而言之,PWM是一種對類比信號電平進行數位編碼的方法。藉由高解析度計數器的使用,方波的佔空比被調變用來對一個具體類比信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數位的,因為在給定的任何時刻,滿幅值的直流供電要麼完全有(ON),要麼完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重覆脈衝序列被加到類比負載上去的。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。只要頻寬足夠,任何類比值都可以使用PWM進行編碼。

圖1顯示了三種不同的PWM信號。圖1a是一個佔空比為10%的PWM輸出,即在信號周期中,10%的時間通,其餘90%的時間斷。圖1b和圖1c顯示的分別是佔空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同類比信號值。例如,假設供電電源為9V,佔空比為10%,則對應的是一個幅度為0.9V的類比信號。

圖2是一個可以使用PWM進行驅動的簡單電路。圖中使用9V電池來給一個白熾燈泡供電。如果將連接電池和燈泡的開關閉合50ms,燈泡在這段時間中將得到9V供電。如果在下一個50ms中將開關斷開,燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內將此過程重覆10次,燈泡將會點亮並像連接到了一個4.5V電池(9V的50%)上一樣。這種情況下,佔空比為50%,調變頻率為10Hz。

大多數負載(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調變頻率高於10Hz。設想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒,然後再接通、再斷開……。佔空比仍然是50%,但燈泡在頭5秒鐘內將點亮,在下一個5秒鐘內將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果,通斷循環周期與負載對開關狀態變化的響應時間相比必須足夠短。要想取得調光燈(但保持點亮)的效果,必須提高調變頻率。在其他PWM應用場合也有同樣的要求。通常調變頻率為1kHz到200kHz之間。

硬體控制器

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PWM控制器,每一個都可以選擇接通時間和周期。佔空比是接通時間與周期之比;調變頻率為周期的倒數。執行PWM作業之前,這種微處理器要求在軟體中完成以下工作:

  • 設置提供調變方波的片上定時器?計數器的周期

  • 在PWM控制暫存器中設置接通時間

  • 設置PWM輸出的方向,這個輸出是一個通用I/O管腳

  • 啟動定時器

  • 使能PWM控制器

雖然具體的PWM控制器在編程細節上會有所不同,但它們的基本方向通常是相同的。

通訊與控制

PWM的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數位形式的,無需進行數位類比轉換。讓信號保持為數位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改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時,也才能對數位信號產生影響。

對噪音抵抗能力的增強是PWM相對於類比控制的另外一個優點,而且這也是在某些時候將PWM用於通訊的主要原因。從類比信號轉向PWM可以極大地延長通訊距離。在接收端,藉由適當的RC或LC網路可以濾除調變高頻方波並將信號還原為類比形式。

PWM廣泛應用在多種系統中。作為一個具體的例子,我們來考察一種用PWM控制的制動器。簡單地說,制動器是緊夾住某種東西的一種裝置。許多制動器使用類比輸入信號來控制夾緊壓力(或制動功率)的大小。加在制動器上的電壓或電流越大,制動器產生的壓力就越大。

可以將PWM控制器的輸出連接到電源與制動器之間的一個開關。要產生更大的制動功率,只需藉由軟體加大PWM輸出的佔空比就可以了。如果要產生一個特定大小的制動壓力,需要藉由測量來確定佔空比和壓力之間的數學關係(所得的公式或查找表藉由變換可用於控制溫度、表面磨損等等)。

例如,假設要將制動器上的壓力設定為100psi,軟體將作一次反向查找,以確定產生這個大小的壓力的佔空比應該是多少。然後再將PWM佔空比設置為這個新值,制動器就可以相應地進行響應了。如果系統中有一個感測器,則可以藉由閉環控制來調節佔空比,直到精確產生所需的壓力。

總之,PWM既經濟、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。

Michael Barr是《嵌入式系統編程》雜誌總編輯,也是《使用C和C++對嵌入式系統進行編程》(O'Reilly出版公司,1999年)一書的作者以及馬禮蘭大學的客座教師。可以藉由電子郵件mbarr@cmp.com與他聯繫。

作者:Michael Barr

總編輯

Embedded Systems Programming




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