【導讀】脈寬調制(PWM)是一種將模擬信號編碼為單個(gè)數字位的方法。PWM信號由定義其行為的兩個(gè)主要分量組成：占空比和頻率。它通過(guò)將消息編碼成脈沖信號來(lái)傳輸信息，可用于電機等電子設備的功率控制，也可用作光伏太陽(yáng)能電池充電器的主要算法。
目標
在此實(shí)驗中，我們將研究脈寬調制及其在各種應用中的使用情況。脈寬調制(PWM)是一種將模擬信號編碼為單個(gè)數字位的方法。PWM信號由定義其行為的兩個(gè)主要分量組成：占空比和頻率。它通過(guò)將消息編碼成脈沖信號來(lái)傳輸信息，可用于電機等電子設備的功率控制，也可用作光伏太陽(yáng)能電池充電器的主要算法。
占空比描述了信號處于高電平（開(kāi)啟）狀態(tài)的時(shí)間占完成一個(gè)周期總時(shí)間的百分比（圖 1）。
圖1.占空比
圖2為占空比為0%、25%和100%的脈沖序列。
圖2.占空比為0%、25%和100%的脈沖序列
頻率決定PWM完成一個(gè)周期的速度，從而決定高低狀態(tài)之間切換的速度。
通過(guò)以足夠快的速率和一定的占空比改變數字信號開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，當向響應速度比PWM頻率慢得多的器件（如音頻揚聲器、電機和電磁閥執行器）供電時(shí)，輸出將表現為恒定的電壓模擬信號。
材料
?ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊
?無(wú)焊試驗板和跳線(xiàn)套件
?一個(gè)OP97運算放大器
?一個(gè)1 kΩ電阻
?一個(gè)10 kΩ電位計
脈寬調制——工作原理
PWM是一種從高頻脈沖生成低頻輸出信號的技術(shù)。通過(guò)在高低直流軌電壓之間快速切換逆變器橋臂的輸出電壓，其低頻輸出電壓可視為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的平均電壓。
除此之外，還有其他幾種生成脈寬調制信號的方法，包括模擬技術(shù)、Σ-Δ調制和直接數字頻率合成。
較簡(jiǎn)單的PWM信號生成方法是比較兩個(gè)控制信號：載波信號和調制信號。這稱(chēng)為基于載波的PWM。載波信號為高頻（開(kāi)關(guān)頻率）三角波形。調制信號可以為任何形狀。
使用這種方法，輸出波形可以是任何所需波形的PWM表示。對于機器而言，正弦波和梯形波最為常見(jiàn)。
請考慮圖3所示的電路。
圖3.PWM工作原理
根據PWM原理，運算放大器的負輸入采用載波信號，正輸入采用調制信號。因此，較高的調制信號會(huì )使輸出在PWM周期內更長(cháng)時(shí)間保持高電平。
硬件設置
構建PWM的試驗板電路（圖4）。
程序步驟
第一個(gè)波形發(fā)生器用于生成載波信號，向電路提供4 V峰峰值幅度、2.5 V偏移、1 kHz三角波激勵。第二個(gè)波形發(fā)生器用于生成3 V峰峰值幅度、2.5 V偏移、50 Hz正弦波的調制信號。
圖4.PWM工作原理——試驗板電路
為運算放大器提供+5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號，通道2上顯示輸出信號。
圖5為包含兩個(gè)輸入信號的兩個(gè)信號發(fā)生器通道，其中，橙色為載波信號，紫色為調制信號。
圖5.輸入信號
圖6為示波器通道2上的輸出信號圖。
圖6.PWM輸出
如果調制信號的瞬時(shí)幅度在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)大于載波信號，則輸出將為高電平。如果調制信號低于載波信號，則輸出將為低電平。
如果調制信號峰值小于載波信號的峰值，則輸出將為調制信號的真實(shí)PWM表示。
使用直流調制電壓進(jìn)行脈寬控制
背景知識
針對此項應用，我們將在開(kāi)關(guān)模式配置中使用簡(jiǎn)單的運算放大器（更多詳情參見(jiàn)實(shí)驗：運算放大器用作比較器）來(lái)演示直流電壓的脈寬調制。
請考慮圖7所示的電路。
圖7.使用直流調制電壓進(jìn)行脈寬控制
該電路可用作簡(jiǎn)單的比較器，其中運算放大器的負輸入連接到載波波形，而正輸入作為閾值電壓，用于確定何時(shí)在高壓輸出和低壓輸出之間轉換。電位計作為輸入基準電壓的分壓器，用于調整閾值電壓以及間接調整輸出信號的占空比。
硬件設置
構建使用直流調制電壓進(jìn)行脈寬控制的試驗板電路（圖8）。
圖8.使用直流調制電壓進(jìn)行脈寬控制——試驗板電路
程序步驟
將第一個(gè)波形發(fā)生器用作VIN源，向電路提供幅度為5 V峰峰值的1 kHz三角波激勵。將第二個(gè)波形發(fā)生器用作具有5 V峰峰值幅度的恒定電壓源。向運算放大器提供+5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號，通道2上顯示輸出信號。
波形圖如圖9所示。
圖9.使用直流調制電壓進(jìn)行脈寬控制——波形
輸出信號是輸入電壓的PWM表示。請注意，通過(guò)改變電位計值，信號占空比會(huì )發(fā)生變化，而頻率保持不變。
使用非穩態(tài)觸發(fā)器生成固定50%占空比的PWM信號
背景知識
請考慮圖10所示的電路。
圖10.使用非穩態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號
該電路顯示使用單個(gè)運算放大器的非穩態(tài)觸發(fā)器?？紤]施密特觸發(fā)器的功能原理時(shí)，該功能很容易理解（在實(shí)驗：運算放大器用作比較器中研究的具有遲滯功能的比較器電路）：施密特觸發(fā)器的輸入端與運算放大器的反相輸入相同，它通過(guò)電阻電容網(wǎng)絡(luò )連接到電路的輸出端。當電容電壓（也是施密特觸發(fā)器的輸入端）低于閾值下限時(shí)，輸出電壓等于電路的正電源電壓?，F在通過(guò)電阻R3對電容充電，直至達到施密特觸發(fā)器的閾值上限。因此，可以將運算放大器的輸出電壓驅動(dòng)到負電源電壓?，F在通過(guò)R3對電容放電，直到器件上的電壓達到施密特觸發(fā)器的閾值下限。運算放大器的輸出電壓會(huì )被驅動(dòng)到正電源電壓，整個(gè)過(guò)程再次開(kāi)始。
此電路的優(yōu)勢是無(wú)需使用ADALM2000來(lái)生成載波（但占空比固定為50%）。
硬件設置
構建使用非穩態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號的試驗板電路（圖11）。
圖11.使用非穩態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號的試驗板電路
程序步驟
向電路提供±5 V電源電壓。配置示波器，以使輸出信號顯示在通道1上。
圖12為示波器通道1上的輸出信號圖。
圖12.使用非穩態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號的輸出波形
請注意，輸出信號的占空比約為50%，而低/高電壓值往往達到正/負電源電壓值。
其他操作
在前一個(gè)示例中，我們使用非穩態(tài)觸發(fā)器生成了50%固定占空比的PWM信號。但是，我們如何調整占空比呢？為此，我們需要稍微修改一下電路。
請看圖13所示的電路。
圖13.調整使用觸發(fā)器生成PWM信號電路的占空比
圖10所示的電阻R3被電位計取代，并插入兩個(gè)二極管?，F在電容的充電電流通過(guò)D1，而放電電流通過(guò)D2。根據電位計VR1的調整情況，通過(guò)上部分支電路的充電電流電阻與通過(guò)下部分支電路的放電電流電阻不同。
硬件設置
構建試驗板電路，該電路用于調整使用觸發(fā)器生成PWM信號電路的占空比（圖14）。
圖14.用于調整使用觸發(fā)器生成PWM信號電路的占空比的試驗板電路
程序步驟
向電路提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸出信號，通道2上顯示電容電壓（運算放大器的負輸入端）。
改變電位計值并注意占空比的變化。產(chǎn)生的波形如圖15所示。
圖15.調整使用非穩態(tài)觸發(fā)器生成PWM信號波形的占空比
在此示例中，占空比設置為約25%。當占空比改變時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率難免會(huì )略有變化，因為反相和同相輸入端的兩個(gè)耦合網(wǎng)絡(luò )都會(huì )連接到運算放大器的輸出端。
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