PWM 技术综述【文献综述】.doc

1、毕业论文文献综述 电子信息工程 PWM 技术综述 摘要 ： 本 课题主要 介绍了基于 FPGA 的 PWM 对于 LED 灯 的设计方法和流程。 脉宽调制（ Pulse Width Modulation， PWM）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，广泛应用于测量、通信领域 1。对模拟信号电平进行数字编码的时候只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码，且 实践表明本课题所提出的 用 PWM 控制 LED 灯的 方案是合理、有效的。 关键字： PWM； FPGA；脉宽调制；数字编码 1、 PWM 的概述 PWM 是英文 “Pulse Width Modu

2、lation” 的缩写，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 具体的波形图如图 1 所示。 图 1 PWM 波形图 PWM控制技术以其控制简单 ,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式 ,也是人们研究的热点 .由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限 ,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一。 对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM用于通信的主要原因。从模拟信号

3、转向 PWM 可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的 RC 或LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 对于控制 LED 灯， PWM 可以更加的精确，对于调节灯的明暗灰度，可以更加的容易控制。 2、 PWM 的原理 随着电子技术的发展，出现了多种 PWM 的调制方法：其中最具代表性的就是数字脉冲调制和模拟脉冲调制。其中数字脉冲调制主要是依靠时钟信号的输入同时用计数器的计数。然后把信号传给储存器，在通过比较器比较，最后输出脉 冲宽度调制波 2；而模拟脉冲调制主要是 脉宽 调制器 是一个 比较器 ，它是将控制信号 Uc 与频率一定的锯齿波电压进行比较，产生出脉冲序列 。 2.

4、1 数字脉冲调制 数字调制主要是依靠时钟信号的输入同时用计数器的计数。然后把信号传给储存器，在通过比较器比较，最后输出 脉冲宽度调制波。 用数字序列调制脉冲载波的幅度。可得到脉冲幅度调制信号PAM（ Pulse Amplitude Modulation ）。是属于数字脉冲调制的一种，其他两种是： PPM（ Pulse Position Modulation），调制脉冲载波的位置； PWM（ Pulse Width Modulation），调制脉冲载波的宽度 。 其中PWM 数字脉冲调制原理图如图 2 数字脉冲调制器 所示 3。 图 2 数字脉冲调制器 2.2 模拟脉冲调制 脉宽 调制器 是一个

5、 比较器 ，它是将控制信号 Uc 与频率一定的锯齿波电压进行比较，产生出脉冲序列如图 1 所示。因此在集成控制 电路 中还包括一个频率固定的时钟信号 和锯齿波 发生器 。时钟脉冲频率决定了 PWM 转换器 的 开关 频率。假设锯齿波电压幅值为 Um，锯齿波宽为 Ts（决定了开关周期）。在一个开关周期 Ts，内，控制信号 Ts 与锯齿波有一次相交，决定了这时的 PWM 输出脉冲的宽度 DuTs4-5。 如下图 3 模拟脉宽调制器。 图 3模拟脉宽调制器 3、 PWM技术实现 PWM 方式即脉冲宽度调制方式，如图 4。主要有分辨率、周期两个参数，分辨率是指在一个周期内可控的最小时间，分辨率越高，控

6、制精度也越高，一般用 n 位二进制数表示，如 8 位、 10位、 12 位、16 位等分辨率， 可控的最小工作时间：NTT 2min1 ， TT1 也称作占空比。单片机应用于工业控制等方面时， 一般采用 PWM 方式对模拟量进行控制，在周期 T 一定的情况下，通过调整工作时间T1 来达到对模拟量控制的目的 10。 图 4 PWM 方式 3.1 用单片机实现的 PWM 模块 随着大规模集成电路的不断发展，寻找带有内置 PWM 模块的单片机已经不是困难的事情， 内置 PWM 模块的单片机，其 PWM 最大分辨率一般是 10位，只要设置好 PWM 工作的频率、分辨率等参数并启动，将占空比数据写入指定

7、寄存器即可，程序流程如图 5。单片机初始化时设置好 PWM 模块参数并启动 PWM 功能，根据需要采集模拟量数据，经运算分析调整占空比，再将占空比数据写到 PWM 指定的寄存器中， 周而复始， 达到调整 PWM 的目的。这种实现 PWM功能方法的优点是控制简单、控制程序短、程序用于处理 PWM 功能所需占用的时间短，不足之处是输出的 I/O 口必须是单片机 内 PWM 模块指定的 I/O 口，不能任意改变，要同时实现多路 PWM 功能时受到单片机内 PWM 硬件资源的限制11-12。 图 5 用单片机实现 PWM功能流程图 3.2 用 FPGA模拟 PWM 功能 用 FPGA编写一个计数器产生

8、公共的 PWM 时基，将该时基实时与一路 PWM所要求的占空比数据比较，时基 =占空比数据时，对应输出口输出 1， 否则输出 0 。以模拟 1路 8 位 PWM 功能为例，设PWM公共时基存于 TIMER（ 00H FFH）中，占空比数据存于 P1 00H FFH PWM出分别为 OUT1， 根据需要采集模拟量数据，经运算析调整占空比， FPGA编写一个计数器产生 PWM 时基，每入一个脉冲就加一，当到达 P2后又从 00H 开始计数，再将计数器的数值分别与占空比 P1比较， 时基大于占比则对应输出“ 1”，否则对应输出“ 0” 13。如图 6 图 6. 用 FPGA模拟实现 PWM 功能原理

9、图 4、 PWM 的应用 PWM 控制技术主要应用在电力电子技术行业 ,具体讲 ,包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。 4.1 PWM 在 调速系统中的应用 在数控机床的直流电机伺服系统中，速度调节主要通过改变电枢电压的大小来实现。它采用脉冲宽度调制技术，其工作原理是：通过改变“接通脉冲”的宽度，使直流电机电枢上电压的“占空比”改变，从而改变电枢电压的平均值，控制电机的转速。常见的 PWM 驱动系统的主电路（功率放大器）结构有： H 型和 T 型。下面以 H 型结构为例说明 PWM 双极式驱动的电路工作

10、原理，如图 7 PWM 驱动系统调速 所示 6-7。 图 7 PWM 驱动系统调速 4.2 PWM 在信号发生器中的应用 多功能 PWM信号发生器以 MSP430F169单片机为核心 ,由时钟和复位、频率及波形设定、 LCM 显示器、 PWM 信号发生电路组成 .MSP430F169单片机数模转换模块输出端 DAC1输出直流电压可控制 PWM占空比 ; DAC0输出交变电压可产生 SPWM信号 ,且基波频率和波形受单片机控制 . 其原理框图如图 8多功能 PWM信号发生器原理 所示 8-9. 图 8 多功能 PWM信号发生器原理 5、 总结 通过对 PWM 的实现方法的分析比对，让我们在以后的

11、设计中能够综合了解它们的大致方法。相对与 以后的各个不同的设计使用不同的方法，能够使我们更加容易，也更加精确的使用。也就是说，在选择用哪种方法的同时，我们必须结合我们要的目标去选择，因为每个方法使用的条件不一样，精确程度和控制的简易程度也就是不一样。而现在的单片机模块直接调用这个方法的优点是控制简单、控制程序短、程序用于处理 PWM 功能所需占用的时间短对于一些基本的控制有很好的效果。而FPGA 控制的效果主要是简单，在控制好 P1,P2 就可以了，在操作上控制更加的简单，更加的有灵活性。 参考文献 1 陈远金 ,鞠莉娜 .基于 FPGA 的可编程 PWM 电 路设计 J.电子元器件应用 ,2

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