PWM基带数字信号调制和解调方法探究

1、pwm基带数字信号调制和解调方法探究摘要：通过分析pwm基带数字信号的调制与解调 原理，提出了利用555定时器实现pwm调制，并利用巴特沃 斯滤波器来实现解调功能。先利用multisimlo对电路进行 仿真设计，确定其实际可行性。然后利用protel99se对电 路进行pcb设计，再利用刻板机进行pcb刻制，焊上元器件 并调试，最后的电路测试结果表明，该电路较好实现了 pwm 信号的调制与解调。abstract： by analyzing the pwm baseband digital signal modulation and demodulation principle , propos

2、ed use of the 555 timer to realize pwm modulation and use of butterworth filter achieve demodulation functions the first use multisimlo circuit simulation design to determine the actual feasibility. and then use protel99se circuit pcb design, reuse rigid machine pcb engraving, welding on components

3、and debugging, the final circuit test results show that the circuit is better to achieve a pwm signal modulation and demodulation.关键词：pwm； 555定时器；调制；解调key words： pwm； 555 timer； modulation； demodulation中图分类号：tn911.72文献标识码：a文章编号：1006-4311 (2013) 14-0222-040引言随着现代通信中，数字电路的大量应用，pwm基带信号 作为信息处理的中间信号或辅助信号

4、，在实际数字通信终端 中是很常见的。由于pwm信号的抗噪声性强，经济，节约空 间等优点，目前被很多领域广泛使用。pwm的一个优点就是 从处理器到被控系统，信号都是数字形式的，不需要进行数 模转换，信号以数字的形式进行传递可以将噪声的影响降到 最低，因此实际的模拟信号在传输时大多是先转化为数字信 号。传统的模拟信号调制成pwm信号的过程比较复杂，其大 致设计方法将输入的模拟信号经过瞬时抽样，再通过比较器 输出。此电路相对比较繁琐，因此我们尝试通过555定时器的 运用寻找一种简便的方法用来实现pwm信号的调制。1 555定时器调制pwm信号的原理1. 1电路结构与原理pwm基带信号调制的电路，由一

5、个 555定时器、三个电阻和一个电容构成的，主要功能是将输 入的模拟信号转变成数字信号输出。只要将施密特触发器的 反相输出端经rc积分电路再接回到它的输入端，便构成了 单稳态振荡器。图1为pwm信号调制的原理图，在555定时 器的控制端加上一个变化电压vk进行一系列的调节后，两 个比较器的参考电压就发生了变化。当两个参考电压变大或 减小后，555电路的阈值电压和触发电压就跟着发生了增大 或减小，振荡电路的振荡频率就随之发生了相应的变化，矩 形波的宽度就随着控制端输入模拟信号vk的电压变大而变 大，随着输入模拟电压变小而变小，就可以实现pwm脉冲 宽度调制。图1中555定时器的5号脚输入模拟信号

6、，经过 pwm信号产生电路，在定时器的3号脚上便可产生pwm信号。1.2 pwm电路性能分析1. 2. 1 pwm的脉宽与调制信号vk的关系由rc电路的分析可知：在电容上的电压uc从充、放电 开始到变化至某一数值uth所经过的时间可以用公式(1) 计算：t=rclnh (1)其中，uc (0)是电容电压的起始值，uc(8)是电容 电压充、放电的终了值。pwm电路的输出脉宽随vk瞬时值变化。由于555定时器 控制端加入不同的电压值，将会有不同的阈值电压和触发电 压，每次电容充放电所对应的uc (0)和uth将会有所不同, 所以才会产生不同的电压幅值对应不同的脉冲宽度。1.2.2周期t0与调制信号

7、频率的关系对产生的pwm信号要实现理想的解调，pwm的输出脉冲 应反映调制信号的特征。设调制信号的最高频率为fcmax, 根据抽样定理，触发信号的频率f0=l/t0>2fcmax,即触发信 号周期to 4.2 pcb实现根据pcb线路文件，利用线 路板刻制机制作pcb,并进行元器件组装，得到的硬件设计 实物图如图4所示。5电路仿真设计与硬件测试结果对比5. 1 pwm信号产生电路性能测试下面从仿真设计的结果 和硬件实现结果两方面比较pwm调制电路的性能。图5和图6为pwm调制电路的仿真设计结果，以上两图 中通道a为模拟信号波形，分别为输入的正弦波和三角波信 号，其周期均为20ms,幅值均

8、为2v,通道b为数字信号脉 冲，即为pwm基带信号的波形，从图中可以看出在输入模拟 信号幅值越大的位置，相应的pwm调制信号的脉宽就越大， 幅值越小的位置，响应的pwm调制信号的脉宽就越小。这样 pwm产生电路就实现从正弦模拟波形和三角模拟波形转变到 数字信号波形的功能，pwm基带信号呈现周期性变化，实现 了脉宽调制的目的。图7和图8为pwm调制电路硬件测试结果，通过将幅度 为2v,周期为20ms的原模拟信号和产生的pwm基带信号波 形的比较，可以看出在原模拟信号幅度增大的地方，基带信 号的脉宽也随之增大；在原模拟信号幅度减小的地方，基带 信号的脉宽也随之变小。实现了输出波形的脉宽均随输入幅

9、度的增大而增大，减小而减小，实现了 pwm基带信号的调制。5. 2 pwm信号解调电路的性能测试 将pwm信号进行解调 是本次研究中关键的一步，因此需要比较输入信号与解调信 号来检测解调电路的性能。下面先比较利用multisimlo软 件仿真输入为三角波信号时解调结果。图中波形1为输入模拟信号，波形2为解调输出信号。 通过比较软件仿真结果，可以看出解调电路能够较好的将原 正弦波信号解调出来。它们的幅度均为2v,周期均为20ms, 只是发生了一些相移。相移的主要原因是抖动等。图10和图11为实物pcb的示波器测试结果。其中波形 1为输入的原模拟信号，波形2为解调出的模拟信号。从中 可以看出通过滤

10、波器后出来的波形基本体现原模拟信号波 形特征，比较理想的完成了滤波功能，由于电磁干扰等原因 造成了解调信号的较小失真。6结论使用555定时器实现pwm的方法比较简单，在实际应用 中具有可实现性，只要设定合适的触发信号的周期，可以获 得对不同类型、不同频率信号的理想调制效果。在实验过程 中，由信号发生器产生的信号必须加以电平将其全部转化成 正值，才能进行调制，最终得到解调的效果。通过比较仿真 设计结果和硬件实现结果，可以看出硬件实现较好地达到了 仿真设计的效果。实现了利用pwm多谐振荡器完成从模拟信 号向数字信号的转换的功能。实际解调效果与仿真效果在幅值和频率上相同，但是从 波形中可以看出解调信

11、号下部还是有些毛刺，主要原因可能 是电磁干扰等外部不可避免的影响，但是总体效果还是不错 的。参考文献：1 李莉，胡之惠.pwm基带信号的产生与检测j.上海 师范大学学报，2002, 9： 31-36.2 阎石数字电子技术基础（第四版）m.北京高等 教育出版社，1998, 12： 340-352.3 路而红.虚拟电子实验室 -multisim7&ultiboard7m.北京.人民邮电出版社，2005, 5： 1-21.4 陈国呈.pwm变频调速及软开关电力变换技术m.北 京.机械工业出版社，2001： 143-147.5 昌盛，巫秋明.protel99电路设计m.北京.人民交 通出版社，2000： 46-94.6 莫力.protel电路设计m.北京.国防工业出版社， 2005, 1： 1-33.7 郭永贞.数字电子技术m.西安.西安电子科技大学 出版社，2005, 1： 224-231.8 蒋黎红，黄培根，朱维婷等模电数电基础实验及multisim7仿真杭州浙江大学出版社,2007, 3： 1-16.9 刘凤君.现代高频开关电源技术及应用.北京.电子 工业出版社，2008, 1： 33-38.10 张义和.protel pcb 99设计与应用技巧.北京.科学 出版社,2000, 6： 286-32211 周凯.ewb 虚拟电子实验室-multisi