一種基于PWM快速產(chǎn)生模擬電壓的方法

什么是PWM

脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振波開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

PWM詳細(xì)過(guò)程

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無(wú)（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

多數(shù)負(fù)載（無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載）需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。

許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：

1、設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期

2、在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間

3、設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳

4、啟動(dòng)定時(shí)器

5、使能PWM控制器

如今幾乎所有市售的單片機(jī)都有PWM模塊功能，若沒(méi)有（如早期的8051），也可以利用定時(shí)器及GPIO口來(lái)實(shí)現(xiàn)。更為一般的PWM模塊控制流程為（筆者使用過(guò)TI的2000系列，AVR的Mega系列，TI的LM系列）：

1、使能相關(guān)的模塊（PWM模塊以及對(duì)應(yīng)管腳的GPIO模塊）。

2、配置PWM模塊的功能，具體有：

①：設(shè)置PWM定時(shí)器周期，該參數(shù)決定PWM波形的頻率。

②：設(shè)置PWM定時(shí)器比較值，該參數(shù)決定PWM波形的占空比。

③：設(shè)置死區(qū)（deadband），為避免橋臂的直通需要設(shè)置死區(qū)，一般較高檔的單片機(jī)都有該功能。

④：設(shè)置故障處理情況，一般為故障是封鎖輸出，防止過(guò)流損壞功率管，故障一般有比較器或ADC或GPIO檢測(cè)。

⑤：設(shè)定同步功能，該功能在多橋臂，即多PWM模塊協(xié)調(diào)工作時(shí)尤為重要。

3、設(shè)置相應(yīng)的中斷，編寫ISR，一般用于電壓電流采樣，計(jì)算下一個(gè)周期的占空比，更改占空比，這部分也會(huì)有PI控制的功能。

4、使能PWM波形發(fā)生。

PWM信號(hào)產(chǎn)生電路

開關(guān)電源他激控制方式有脈寬調(diào)制（PWM）和脈頻調(diào)制（PFM），其中，大部分都采用PWM方式，因此，現(xiàn)簡(jiǎn)介PWM控制原理。圖所示為PWM信號(hào)產(chǎn)生電路框圖及工作波形，其工作過(guò)程如下：對(duì)被控制電壓Uo。進(jìn)行檢測(cè)所得的反饋電壓Ur加至放大器Al的同相輸入端，固定的參考電壓Uo加至A1的反相輸入端。經(jīng)A1放大后的直流誤差電壓Ue加至比較器A2的反相輸入端，由固定頻率振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)Usa加至A2的同相輸入端。A2輸出方波信號(hào)，其占空比隨誤差電壓而變化，即實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制。對(duì)于單管變換器，A2輸出的PWM信號(hào)即可作為控制功率晶體管的開關(guān)信號(hào)，對(duì)于推挽或橋式等功率變換電路，則應(yīng)將PWM信號(hào)分為兩組信號(hào)，即分相。分相電路由觸發(fā)器及兩個(gè)“與”門組成，觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)應(yīng)于鋸齒波的下降沿。A端和B端輸出兩組相差180°的PWM信號(hào)。

（a）PWM信號(hào)產(chǎn)生電路框圖；（b）工作波形

基于PWM快速產(chǎn)生模擬電壓的方法

1、概述

在電子和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用中，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬控制信號(hào)輸出是電子設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題，然而許多單片機(jī)內(nèi)部并沒(méi)有集成數(shù)摸轉(zhuǎn)換器（DAC）。當(dāng)然市場(chǎng)上也有一些專用的D/A轉(zhuǎn)換芯片，但這類芯片價(jià)格昂貴，并且需要多個(gè)處理器功能管腳來(lái)控制，這對(duì)一般的簡(jiǎn)單應(yīng)用是不適合的。

所以在有些應(yīng)用中，由單片機(jī)的PWM輸出（或者通過(guò)定時(shí)器和軟件一起來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM輸出），經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單RC濾波電路實(shí)現(xiàn)DAC來(lái)得到模擬電壓是一種比較好的選擇。然后，這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)就是電平轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，本文提出了一種新的方法來(lái)克服該問(wèn)題。

2、RC濾波電路

圖1是傳統(tǒng)的RC濾波電路，PSoC通過(guò)GPIO口和RC濾波產(chǎn)生模擬電壓

圖1，RC濾波電路產(chǎn)生模擬電壓

在這種方法中，PWM通過(guò)Px［y］輸出，Vout即是需要的模擬電壓。PWM的輸出在電壓VDD和0之間變換，PWM的占空比（DC）決定Vout的輸出值。增加DC輸出電壓也會(huì)跟著增加（當(dāng)DC=0%時(shí)，Vout=GND;當(dāng)DC=100%時(shí)，Vout=VDD）。

這種方法比較簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是電平轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。例如，當(dāng)DC從一個(gè)值變到另一個(gè)值時(shí)，可能要幾個(gè)ms才能使Vout從一個(gè)電壓變換到最終的穩(wěn)定電壓，如圖2所示。

圖2，RC濾波電路的電平轉(zhuǎn)換時(shí)間

較長(zhǎng)的電平轉(zhuǎn)換時(shí)間在有些應(yīng)用中是不適用的，下面我將提供一個(gè)新的方法來(lái)減小該時(shí)間。當(dāng)然，也可通過(guò)減小電容電阻（RC）值并提高PWM頻率來(lái)縮短電平轉(zhuǎn)換時(shí)間，但有些單片機(jī)的固有缺陷而沒(méi)辦法提高PWM頻率時(shí)就沒(méi)辦法了。

3、電壓跟隨器電路

本文介紹一種新的方法能把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小到幾十us，該方法除了RC濾波外，還使用了電阻、三極管以及另外一個(gè)GPIO口，三極管設(shè)計(jì)為電壓跟隨器模式，如下圖3所示：

圖3，電壓跟隨器電路產(chǎn)生模擬電壓

三極管T是模擬電壓Vc到Vout的開關(guān)。在空閑狀態(tài)下設(shè)置Pa［b］為“strongdrive”模式，并置為高電平（邏輯1），這樣，Vout=VDD，下列步驟將使Vout從空閑狀態(tài)變換到指定的電壓狀態(tài)。

1）使能PWM并設(shè)定為指定的占空比DC。在計(jì)算PWN占空比時(shí)要考慮到三極管be間的壓降（Vbe）。Vc=Vout+Vbe，得出DC=（Vout+Vbe）/VDD.

2）做足夠長(zhǎng)時(shí)間的延遲以使Vc穩(wěn)定在指定的電壓，注意在這延遲的時(shí)間內(nèi)Vout保持高電平VDD。

3）設(shè)置GPIO口Pa［b］的驅(qū)動(dòng)模式為“High-Zanalog”，這將導(dǎo)致三極管T工作狀態(tài)并且Vout將立即變?yōu)橹付ǖ淖罱K電壓（只需要幾十個(gè)微秒）。

下列步驟將使Vout從指定的電壓變換到空閑狀態(tài)（Vout=VDD）

1）設(shè)置Pa［b］的驅(qū)動(dòng)模式為“strongdrive”并置該P(yáng)IN為高電平，Vout將立即變?yōu)閂DD.

2）如果需要，此時(shí)可停止Px［y］口的PWM以減小功耗。

電平轉(zhuǎn)換如圖4所示，當(dāng)Vc在電壓下降的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，Vout還保持高電平。

圖4，電壓跟隨器電路的電平轉(zhuǎn)換時(shí)間

4、實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果

在Cypress的CY8C20x24系列芯片中，無(wú)PWM模塊，所以若需要輸出模擬電壓就只能使用內(nèi)部的TImer13模塊產(chǎn)生PWM，然后使用外圍電路產(chǎn)生模擬電壓。下面以CY8C20224芯片為例來(lái)說(shuō)明兩種模擬電壓產(chǎn)生方法的測(cè)試情況。

1）使用RC電路做測(cè)試

由于CY8C20224提供的Timer13其輸入時(shí)鐘為32KHz，所以由此產(chǎn)生的PWM頻率比較低。為了減小模擬電壓值的紋波，必須提高RC電路的電阻電容值。在實(shí)驗(yàn)電路中R=47K，C=0.1uF。下圖5是用示波器抓到的波形。

圖5，RC濾波電路的電平轉(zhuǎn)換波形

從上圖可以看出，當(dāng)電壓從空閑狀態(tài)（VDD=3.3V）變換到穩(wěn)定電壓1.0V時(shí)，大約需要13~15ms.

這在有些應(yīng)用中是不夠的。

2）采用電壓跟隨器電路測(cè)試

若采用電壓跟隨器電路，電壓從空閑狀態(tài)（VDD=3.3V）變換到穩(wěn)定電壓1.0V時(shí)，需要的時(shí)間不超過(guò)50us，如下圖6所示：

圖6，電壓跟隨器電路的電平轉(zhuǎn)換波形