PWM波形发生器
目录
1电路实现功能 2
1.1PWM简介 2
1.2PWM参数： 2
1.3选题原因及实现功能 3
2总体方案 3
3电路设计 4
3.电路发生方波 4
3.三角波发生电路 5
3.3正弦波发生电路 6
3.4电压比较电路 7
4参数的计算 7
4.1载波电路参数选择 7
4.2调制信号参数选择 8
5测试方案和测试结果 9
6总电路图： 10
7分析总结 10
7.1器件选型 10
7.2心得体会 13
8未来工作 13
9参考资料 14
10附件 14
1电路实现功能
1.1PWM简介
PWM（PulseWidthModulation）控制-脉冲宽度调制技术，通过调制一系列脉冲宽度，等效获得所需的波形(包括形状和振幅)。原理基础是面积等效原理。它是一种非常有效的技术，利用微处理器的数字输出来控制模拟电路。其控制简单、灵活、动态响应良好，已成为电力电子技术应用最广泛的控制方法。其应用领域包括测量、通信、功率控制和变换、电机控制、伺服控制、调光、开关电源，甚至一些音频放大器，因此学习PWM现实意义重大。
图表1面积等效原理示意图
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。使用高分辨率计数器，调制方波的占空比，编码特定模拟信号的电平。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流电源要么完全有(1)，要么完全没有(0)。在模拟负载中加入一个通(1)或断(0)的重复脉冲序列。当直流供电被添加到负载上时，当电源被切断时。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。如图是PWM波等效正弦波形示意图。
1.2PWM参数：
1.高电平电压:决定PWM信号等效模拟信号的最大值。
2.占空比:高电平保持时间与此相同PWM时钟周期的时间比。
3、PWM周期：高电平和低电平的持续时间。
4.分辨率:占空比最小值。
图表2PWM波等效模拟信号
1.3选题原因及功能实现
由于下学期将开设电力电子技术课程，需要控制电路来控制电源主电路中功率管的开关状态，控制电路主要采用数字电路、模拟电路、单片机、DSP等待电路实现。PWM控制广泛应用于电力电子，尤其是逆变电路。
图表3PWM逆变应用控制
该团队采用模拟电子技术生产SPWM波形设计简单PWM波形发生器为电力电子课程奠定了基础。
2总体方案
团队采用经典的调制方法实现PWM产生波形。
调制方法：将希望产生的波形作为调制电路，将接收调制的信号作为载波，通过调制信号波获得预期PWM波形。等腰三角波或锯齿波通常用作载波。由于等腰三角形上任何一点的水平宽度和高度都是线性和对称的，当它与任何温和变化的调制信号交叉时，如果在交叉点控制电路中的开关设备，宽度与信号波幅值的脉冲成正比。
图表4双极性PWM控制方式波形
如图所示，通过电压比较器比较目标波形和三角波，输出信号控制开关管的通断SPWM波形。
图5电路总体方案
3电路设计
3.电路发生方波
方波由滞回比较器产生。如图所示：
图6滞回比较器电路(左一)和电压传输特性(左二)
原理：
1、 u i ? U u_i\gg U_ ui?U+，输出为 − U o m -U_{om} −Uom，此时 u + = U − u_+=U_- u+=U−。输入信号由大变小时，小到比 U − U_- U−小一点时，输出跳变为 U o m U_{om} Uom，此时 u + = U + u_+=U_+ u+=U+。
2、 u i ≪ U − u_i\ll U_- ui≪U−，输出为 U o m U_{om} Uom，此时 u + = U + u_+=U_+ u+=U+。输入信号由小变大时，大到比 U + U_+ U+大一点时，输出跳变为 − U o m -U_{om} −Uom，此时 u + = U − u_+=U_- u+=U−。
3.2三角波发生电路
3.2.1原理
三角波发生电路是由方波发生电路产生方波，并将法波发生电路的输出作为积分运算电路的输入，经积分运算电路输出三角波。其中积分运算电路一方进行波形变换，另一方面取代方波方波发生电路的RC回路，起延时作用。
图表7三角波发生电路(左一)与输出波形(左二)
三角波幅值公式： U T = ± R 1 R 2 U Z U_T=\pm \frac{R_1}{R_2}U_Z UT=±R2R1UZ
其中 ± U Z \pm U_Z ±UZ为运放工作在开关状态的输出电压。
振荡频率为： f = R 2 4 R 1 R 3 C f=\frac{R_2}{4R_1R_3C} f=4R1R3CR2
3.3正弦波发生电路
图表8RC桥式正弦波振荡电路
把同相比例运算电路接在RC串并联选频网络后，形成RC桥式正弦波振荡电路。观察电路，同相比例运算电路中的R1，Rf，与选频网络中的串联RC，并联RC，都是一个桥臂，组成了这个RC桥式正弦波振荡电路。由同相比例运算电路放大倍数和起振条件、幅值平衡条件： A ˙ = U ˙ o U ˙ p = 1 + R f R 1 ≥ 3 \dot{A}=\frac{\dot{U}_o}{\dot{U}_p}=1+\frac{R_f}{R_1}\ge 3 A˙=U˙pU˙o=1+R1Rf≥3
即 R f ≥ 2 R 1 R_f\ge 2R_1 Rf≥2R1
在真实的电路设计中，需要考虑放大倍数的问题：如果放大倍数略小于3倍，那么反馈给选频网络的电压，不足以维持RC振荡，导致振荡幅度越变越小；如果放大倍数略大于3倍，那么反馈给选频网络的电压，超过了它所需要的电压，流入放大电路的电压当然也超过了预期，这会导致放大电路达到极限的幅值，波形削顶或者削底；如果放大倍数正好是3倍，且不说考虑到器件的精确度，这是多么难的一件事情，正好是3倍的话，振荡电路不容易起振，因为起振靠的就是各种扰动，如上电合闸一瞬间的脉冲。
一种解决思路是，在电路中加入“非线性”环节。例如在反馈回路中加入两个并联的二极管。如果输出电压因为某种原因变大，那么流过二极管的电流变大，但是根据二极管的伏安特性曲线可以知道，此二极管的“动态电阻”减小，导致放大倍数减小，最终使输出电压稳定。这个过程类似于负反馈调节。
应当指出，但这种做法是有弊端的，输出波形可能轻微失真。只要引入非线性环节，这种失真就不可避免，不管是用二极管，还是热敏电阻作为非线性环节都不行。如果使用Mos管，失真的情况可能会改善，但是电路设计会变得复杂很多。在电路设计领域，有一利必有一弊[4]。
3.4电压比较电路
图表9电压比较电路
调制信号和载波信号经过电压比较电路即可得到占空比不同的PWM波形。
4参数的计算
本团队利用模拟电路拟产生频率 f 0 = 50 H z f_0=50Hz f0=50Hz、幅值为5V的正弦信号，选取PWM频率为 f 1 = 1000 H z f_1=1000Hz f1=1000Hz，即一个正弦周期产生20个占空比不同的PWM波。运算放大器选择实验室提供的LM358P芯片。
4.1载波电路参数选择
LM358输出 U o m = V c c − 1.5 V U_{om}=Vcc-1.5V Uom=Vcc−1.5V，在双电源供电条件下， U Z = U o m = 10.5 V U_Z=U_{om}=10.5V UZ=Uom=10.5V 。
4.1.1幅值参数
由幅值公式 U T = ± R 1 R 2 U Z U_T=\pm \frac{R_1}{R_2}U_Z UT=±R2R1UZ
选择 R 2 = 10 k Ω R_2=10k\varOmega R2=10kΩ，则 R 1 = U Z U T R 2 ≈ 4.7 k Ω R_1=\frac{U_Z}{U_T}R_2\approx 4.7k\varOmega R1=UTUZR2≈4.7kΩ
4.1.2频率参数
由频率公式 f = R 2 4 R 1 R 3 C f=\frac{R_2}{4R_1R_3C} f=4R1R3CR2
选择 C = 0.47 u F C=0.47uF C=0.47uF，则 R 3 = R 2 4 R 1 C f 1 ≈ 1 k Ω R_3=\frac{R_2}{4R_1Cf_1}\approx 1k\varOmega R3=4R1Cf1