电子基础知识

01什么是PWM脉冲宽度调制(PWM),PWM全称PulseWidthModulation，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM的频率：是指1秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，也就是说一秒钟PWM有多少个周期。单位：Hz表示方式：50Hz、100HzPWM的周期：T=1/f(周期二1/频率)50Hz=20ms一个周期，如果频率为50Hz，也就是说一个周期是20ms，那么一秒钟就有50次PWM周期。占空比：是一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例。单位：%(0%-100%)表示方式：20%周期-脉宽时间脉宽时闾周期：一个脉冲信号的时间，1S内测周期次数等于频率。脉宽时间：高电平时间。上图中脉宽时间占总周期时间的比例，就是占空比。比方说周期的时间是10ms，脉宽时间是8ms，那么低电平时间就是2ms，总的占空比8/(8+2)=80%，这就是占空比为80%的脉冲信号。而我们知道PWM就是脉冲宽度调制通过调节占空比，就可以调节脉冲宽度(脉宽时间)，而频率，就是单位时间内脉冲信号的次数。以20Hz，占空比为80%举例，就是1秒钟之内输出了20次脉冲信号，每次的高电平时间为40ms。我们换更详细点的图：50耗50%上图中，周期为T,T1为高电平时间，T2为低电平时间，假设周期T为1s,那么频率就是1Hz,那么高电平时间0.5s，低电平时间0.5s，总的占空比就是0.5/1=50%。02PWM原理以单片机为例，我们知道，单片机的IO口输出的是数字信号，IO口只能输出高电平和低电平，假设高电平为5V，低电平则为0V，那么我们要输出不同的模拟电压，就要用到PWM，通过改变IO口输出的方波的占空比从而获得使用数字信号模拟成的模拟电压信号。我们知道，电压是以一种连接1或断开0的重复脉冲序列被夹到模拟负载上去的（例如LED灯，直流电机等），连接即是直流供电输出，断开即是直流供电断开。通过对连接和断开时间的控制，理论上来讲，可以输出任意不大于最大电压值（即0〜5V之间任意大小）的模拟电压。比方说，占空比为50%，那就是高电平时间一半，低电平时间一半，在一定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压，那么75%的占空比，得到的电压就是3.75V。PWM的调节作用来源于对“占周期”的宽度控制，“占周期”变宽，输出的能量就会提高，通过阻容变换电路所得到的平均电压值也会上升，“占周期”变窄，输出的电压信号的电压平均值就会降低，通过阻容变换电路所得到的平均电压值也会下降。也就是在一定的频率下，通过不同的占空比，即可得到不同的输出模拟电压，PWM就是通过这种原理实现D/A转换的。总结：PWM就是在合适的信号频率下，通过一个周期里改变占空比的方式来改变输出的有效电压。PWM频率越大，相应越快，那么，PWM信号的实际作用是什么呢？我们以经常使用的呼吸灯举例：一般人眼睛对于80Hz以上刷新频率则完全没有闪烁感。频率太小的话看起来就会闪烁，那么我们平时见到的LED灯，当它的频率大于50Hz的时候，人眼就会产生视觉暂留效果，基本就看不到闪烁了，而是一个常亮的LED灯，你在1秒内，高电平0.5秒，低电平0.5秒，（频率1Hz）如此反复，那么你看到的电灯就会闪烁，但是如果是10毫秒内，5毫秒打开，5毫秒关闭，（频率100Hz）这时候灯光的亮灭速度赶不上开关速度（LED灯还没完全亮就又熄灭了）。由于视觉暂留作用，人眼不感觉电灯在闪烁，而是感觉灯的亮度少了，因为高电平时间（占空比）为50%，亮度也就为之前的50%，频率很高时，看不到闪烁，占空比越大，LED越亮；频率很低时，可看到闪烁，占空比越大，LED越亮。所以，在频率一定下，可以用不同占空比改变LED灯的亮度，使其达到一个呼吸灯的效果。03PWM对电机转速的控制占空比可以实现对电机转速的调节，我们知道，占空比是高电平在一个周期之中的比值，高电平的所占的比值越大，占空比就越大，对于直流电机来讲，电机输出端引脚是高电平电机就可以转动，当输出端高电平时，电机会转动，但是是一点一点的提速，在高电平突然转向低电平时，电机由于电感有防止电流突变的作用是不会停止的，会保持这原有的转速。以此往复，电机的转速就是周期内输出的平均电压值，所以实质上我们调速是将电机处于一种，似停非停，似全速转动又非全速转动的状态，那么在一个周期的平均速度就是我们占空比调出来的速度了，在电机控制中，电压越大电机转速越快，而通过PWM输出不同的模拟电压，便可以使电机达到不同的输出转速。当然，在电机控制中，不同的电机都有其适应的频率，频率太低会导致运动不稳定，如果频率刚好在人耳听觉范围，有时还会听到呼啸声，频率太高的电机可能反应不过来。正常的电机频率在6-16kHZ之间为好。

可调直流电源控制与PWM控制都能调速，那么它们有什么相同之处呢？如图4~图7，电机为某相同转速时，红色代表驱动器输出幅值不变的PWM波，蓝色代表可调直流电源输出的电压。两者都是直接作用到负载。图6个L；占空比：占空比旨丁T由以上得知：当PWM波的占空比越大时，所对应的直流电压与PWM波的幅值越接近；反之与0V越接近；周期的红色PWM波脉宽下的矩形面积之和与蓝色直流电压的面积相等，即伏秒积相等：两端同时除以T，得到如下关系式：例如当PWM波的幅值为24V，占空比为50%时，与直流电压12V作用到电机上所产生的效果是一模一样的，即速度相同；即24VX50%=12V。另外，既然满足这个关系，那PWM波的频率是不是可以随意了，答案当然不是，频率太低会导致电机运转不畅，振动大，噪音大；频率太高会导致驱动器开关损耗较大，甚至有电机会啸叫而不转的情况。一般1k~30k的PWM频率较为普遍，几百Hz的也有，实际上还是根据电机功率在测试时确定合适的PWM频率范围为宣。如图8为实物测试，脉宽在变化，周期不变的PWM波，所加负载如图9所示。图8：扭动旋钮控制脉宽变化04PWM对舵机的控制舵机的控制就是通过一个固定的频率，给其不同的占空比的，来控制舵机不同的转角，舵机的频率一般为频率为50HZ，也就是一个20ms左右的时基脉冲。而脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms的范围来控制舵机不同的转角，500-2500us的PWM高电平部分对应控制180度舵机的0-180度，以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：0.5ms0度1.0ms45度1.5ms90度2.0ms135度2.5ms180度05什么是PWM“死区”？PWM是脉宽调制，在电力电子中，最常用的就是整流和逆变。这就需要用到整流桥和逆变桥。对三相电来说，就需要三个桥臂。以两电平为例，每个桥臂上有两个电力电子器件，比如IGBT。这两个IGBT不能同时导通，否则就会出现短路的情况。因此，设计带死区的PWM波可以防止上下两个器件同时导通。也就是说，当一个器件导通后关闭，再经过一段死区，这时才能让另一个导通。一、什么是死区？通常，大功率电机、变频器等，末端都是由大功率管、IGBT等元件组成的H桥或3相桥。每个桥的上半桥和下半桥是是绝对不能同时导通的，但高速的PWM驱动信号在达到功率元件的控制极时，往往会由于各种各样的原因产生延迟的效果，造成某个半桥元件在应该关断时没有关断，造成功率元件烧毁。死区就是在上半桥关断后，延迟一段时间再打开下半桥或在下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥，从而避免功率元件烧毁。这段延迟时间就是死区。（就是上、下半桥的元件都是关断的）死区时间控制在通常的低端单片机所配备的PWM中是没有的。死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段，所以在这个时间，上下管都不会有输出，当然会使波形输出中断，死区时间一般只占百分之几的周期。但是PWM波本身占空比小时，空出的部分要比死区还大，所以死区会影响输出的纹波，但应该不是起到决定性作用的。二、DSP里的PWM死区在整流逆变的过程中，同一相的上下桥不能同时导通，否则电源会短路，理论上DSP产生的PWM是不会同时通，但器件的原因PWM不可能是瞬时电平跳变的，总是梯形下降的，这样会可能使上下桥直通，为此，设一个极短的时间，上下桥都关闭，再选择性开通，避免了上下桥直通，实际控制中死区会导致控制性能变差。PWM的上下桥臂的三极管是不能同时导通的。如果同时导通就会是电源两端短路。所以，两路触发信号要在一段时间内都是使三极管断开的。这个区域就叫做“死区”。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压，PWM不是调节电流的。PWM的意思是脉宽调节，也就是调节方波高电平和低电平的时间比，一个20%占空比波形，会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间，占空比越大，高电平时间越长，则输出的脉冲幅度越高，即电压越高。如果占空比为0%，那么高电平时间为0，则没有电压输出。如果占空比为100%，那么输出全部电压。所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，而且输出电压可以无级连续调节。三、PWM相关概念分辨率也就是占空比最小能达到多少，如8位的PWM,理论的分辨率就是1：255（单斜率），16位的的PWM理论就是1:65535（单斜率）。频率就是这样的，如16位的PWM，它的分辨率达到了1:65535，要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从0计到80之后又从0开始计到80，那么它的分辨率最小就是1:80了，但是，它也快了，也就是说PWM的输出频率高了。双斜率/单斜率假设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到80，这个就是单斜率。假设一个PWM从0计数到80，之后是从80计数到0，这个就是双斜率。可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但是分辨率却是1：（80+80）=1:160，就是提高了一倍。假设PWM是单斜率，设定最高计数是80，我们再设定一个比较值是10，那么T/C从0计数到10时（这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值80），单片机就会根据你的设定，控制某个IO口在这个时候是输出1还是输出0还是端口取反，这样，就是PWM的最基本的原理了。06PWM信号转换为模拟量信号一、背景有一个测量位置变化的位置传感器，我用万用表电压档测量传感器的输出信号，结果显示的是模拟量信号，即位置和信号输出大小呈线性关系。但是，我用示波器（Picoscope4227）测量传感器的输出信号，显示的却是PWM信号（脉宽调制），即位置不同，输出PWM信号的占空比不同。PWM信号的参数是：200Hz,低电平为0V，高电平为18V。现在可以确定，我的传感器输出信号是PWM信号。PWM信号需要输入到控制器I/O中，但是控制器I/O口不具备直接采集PWM信号的功能。二、解决方案设计个电路，将PWM信号转化为模拟量信号，然后将转换后的模拟量信号输入到控制器模拟量I/O口。三、转换电路01二阶压控有源低通滤波电路设计一个深度滤波电路。滤波电路图为：低通滤波频率公式为：f=1/（2n*RC），我最后选择R=1K,C=10uf,算出的低通截止频率f=15.9Hz。滤波电路后端是一个运算放大器，放大倍数公式：A=1+Rf/R1。我不希望电压被放大，所以我选择A=1.1。又因为R1//Rf=2R（R1，Rf两者并联的值等于R串联值），最终：Rf=220欧，R1=2.2k，R=1k。02积分电路（无源滤波电路）低通滤波电路前面是一个二级积分电路（将两个电容都接地），R=1K，C=10uf。下图是一级积分电路，设计的积分电路是将两个下图电路串联构成二级积分积分：为验证电路效果进行的测试，我使用的设备是PicoScope4227，由于该设备最大只能生成正负1V的电压信号，就生成了幅值为1V（低电平0V，高电平1V），频率为200HZ的PWM信号作为积分电路的输入信号。各种效果图如下：1、示波器直接采集发生器生成的PWM信号，波形如下：

2、示波器从二阶滤波电路输入端采集信号，波形如下。发现该号波形与上图的波形相比已经发生了变化。3.示波器从一阶滤波电路输出端中采集到的信号波形，即滤波电路从左往右数，第一个电阻与第一个电容交点的输出波形：4、滤波器从二阶滤波电路输出端采集到的信号波形，即最终输出信号波形。5、最终输出波形的参数:BHijwaK心ntgsVliuiij>-Awiqi&4JHl*fiV|Wn'WllQdBtrKHAUZfilu11茂k1.'TilL「，也1A7DS5mVTO5J5-网3mF1mOKflUK**mi205-1.2>协20.51mVOV1四、问题1：为什么万用表电压档测量传感器输出信号，结果是模拟量信号，而示波器看到的是PWM信号？我该相信哪个结果？答：这个问题牵涉到测量输入口的分辨率问题。万用表输入口的分辨率低（通过此例看低于200HZ），而示波器输入口的分辨率高，可达几千，甚至几兆赫兹频率，所以输出的结果不同。我们要相信示波器显示的结果。我理解PWM信号本质还是希望达到模拟量的效果，只是表现形式不同。2：关于计算公式答：在低通滤波电路中，有个频率公式f=1/（2n*RC），它计算的是低通截止频率（-3dB）。而在积分电路中，有个公式T二