PWM脉宽调制

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1、浙江万里学院电信学院模拟电子技术设计报告课程名称： 模拟电子技术 设计内容： PWM脉宽调制 实验时间： 2012年6月8日15日 实验地点： 10305 专业班级： 电气103 姓 名： 陈俊伟 学 号： 2010013894 指导老师： 宣 冶 2012年 6 月15日一、实验目的1.掌握PWM的原理；2.掌握正弦波振荡电路的原理及应用；3.掌握电压比较器的原理及应用；4.掌握非正弦波发生电路的原理及应用。二、实验原理1.PWM的工作原理 脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的 目的。 随着电子技术的发展，出

2、现了多种PWM技术，其中包括：相电 压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM 法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形， 通过改变脉冲列的周 期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。PWM的定义脉宽调制(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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 采用模拟电路实现脉冲宽度调制器的组成框图：2正弦波产生条件l 正弦波振荡

3、电路的四个环节 正弦波振荡电路由放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路组成。l 振荡平衡条件 (a) 负反馈放大电路 (b) 正反馈振荡电路负反馈放大电路和正反馈振荡电路框图比较负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别。正反馈一般表达式的分母项变成负号，而且振荡电路的输入信号 ，所以 正反馈一般表达式： 振荡条件为：包括振幅平衡条件： ，相位平衡条件：j AF = jA+j F= 2npl 起振条件和稳幅原理 振荡器在刚刚起振时，要求 在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。 判断一个电路是否为正弦波振荡器, 就看其组成是否含有上述四个部分。 判断振荡的一般方

4、法是: (1) 是否满足相位条件, 即电路是否为正反馈, 只有满足相位条件才有可能振荡。 (2) 放大电路的结构是否合理, 有无放大能力, 静态工作点是否合适。 (3) 分析是否满足幅度条件, 检验 , 若 , 则不可能振荡。 , 能振荡, 但输出波形明显失真。 , 产生振荡。振荡稳定后 。再加上稳幅措施,振荡稳定,而且输出波形失真小。1.2 RC正弦波振荡电路l RC网络的频率响应1） RC串并联网络的电路其频率响应如下:2）频率特性(1) 幅频特性表达式:（2）相频特性表达式:(a) 幅频特性曲线 (b) 相频特性曲线该网络有选频特性，振荡频率为 时 ，幅频值最大为1/3，相位jF=0。l

5、 RC文氏桥振荡器 当f=f0 时的反馈系数 ,且与频率f0的大小无关。此时的相角jF=0。即改变频率不会影响反馈系数和相角，在调节谐振频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。(1) RC文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡电路 RC 串并联网C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路。可导出：为满足振荡的幅度条件 | |=1，所以Af3。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。 (2) RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出

6、幅度下降。反之输出幅度增加。 采用反并联二极管的稳幅电路：二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。反并联二极管的稳幅电路： LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成。l LC并联谐振电路的频率响应LC并联谐振电路如图所示。显然输出电压是频率的函数： 输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图所示。石英晶体LC振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路，如图所示石英晶体LC振荡电路

7、对于图电路，满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。电压比较器电路比较器概念比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。分类有电压比较器、窗口比较器和具有滞回特性的比较器。l 固定幅度比较器 过零比较器和电压比较器过零电压比较器电路图和传输特性曲线如图所示过零比较器传输特性曲线将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF 上 , 就得到电压比较器，它的电路图和传输特性曲线如图所示:比较器的基本特点(1) 工作在开环或正反馈状态。(2) 开关特性，因开环增

8、益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。(3) 非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。l 滞回比较器从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图所示。当输入电压vI从零逐渐增大，且 时， ， 称为上限触发电平。当输入电压 时， ，此时触发电平变为 ， 称为下限阈值(触发)电平。 l 窗口比较器 窗口比较器的电路如图。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。设R1 =R2，则有：窗口比较器的电压传输特性当vIVH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平, D4截止，vO= vO1。当vIvI VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO为低电平。l

9、比较器的应用 比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出,其原理图如图所示: 正弦波变换为矩形波 有干扰正弦波变换为方波非正弦波产生电路4.1 RC充、放电电路其三要素为 4.2 矩形波产生电路 由滞回比较电路和RC定时电路构成的l 工作原理 在图所示电路中, 通过Ro和稳压管VDz1、VDz2对输出限幅, 如果它们的稳压值相等,即Uz1=Uz2=Uz, 那么电路输出电压正、 负幅度对称：UOH=+Uz, UOL=-Uz, 同相端电位由uo通过R2、R3分压后得到,这是引入的正反馈；反相端电压受积分器电容两端的电压uC控制。电路接通电源时, 与 必存在差别。 或 是

10、随机的。尽管这种差别极其微小，但一旦出现 , uo=UOH=+Uz。反之, 当出现 时, uo=UOL=-Uz。因此, uo不可能居于其它中间值。设t=0(电源接通时刻)，电容两端电压uC=0,滞回比较器的输出电压uo=+Uz, 则集成运放同相输入端的电位为：此时, 输出电压uo=+Uz对电容充电, 使 由零逐渐上升。在等于以前, uo=+Uz不变。当 时，输出电压uo从高电平+Uz跳变为低电平-Uz。当uo=-Uz时, 集成运放同相输入端的电位也随之发生跳变,其值为：同时电容器经R放电, 使 逐渐下降。在 等于 以前, 不变,当 时, uo从-Uz跳变为+Uz, 也随之而跳变为 再次充电。如

11、此周而复始, 产生振荡, 从uo输出矩形波，其波形如图所示。 4.3三角波产生电路 l 工作原理 l 计算 uo幅值计算当 时, 对应的uo值为输出三角波的幅值Uom, 即当uo1=+Uz时 当uo1=-Uz时 振荡周期的计算。由A2的积分电路可求出振荡周期, 其输出电压uo从-Uom上升到+Uom所需时间为T/2, 所以4.4 锯齿波产生电路 （2）基本组成：放大电路：放大信号电压，提供振荡器能量。反馈电路：在振荡器中形成正反馈满足相位平衡条件和幅度平衡条件。选频电路：使振荡器在众多的各种频率的信号中，选择所需的振荡频率的信号以满足振荡条件，使振荡器输出单一频率的正弦信号。稳幅环节：保证振荡

12、器输出稳定且基本不失真的正弦波。（3）分类（根据选频网络的不同）RC正弦波振荡器（1MHz以下低频信号）、LC正弦波振荡器（1MHz以上高频信号）、石英晶体正弦波振荡器（频率稳定度高）2.电压比较器（1）功能电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，决定输出高电平还是低电平。电压比较器 的输出电压从一个电平跳变到另一个电平的临界条件是集成运放两个输入端电位相等，即：比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平时对应的输入电压称为阈值电压（或门槛电压）比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。（2）鉴别灵敏度 在实际电路中，集成运放和专用比较器芯片的Aud不为无穷

13、大，ui在ur附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区。如图中虚线所示的输入电压变化范围，在该范围内输出状态既非UoH，也非UoL，故无法实现对输入电平大小进行判别。 Aud越大，鉴别灵敏度越高。（3）转换速度转换速度是比较器的另一个重要特性，即比较器的输出状态产生转换所需要的时间。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。（4）种类过零比较器(零电平检测、波形整形) 当ui0时，uo=UoL ;迟滞比较器反向输入的迟滞比较器 当时所对应的ui值是阈值，即：当时得上阈值：当时得下阈值：特点：输出端从高电平跳变到低电平对应的阈值电压与从低电平跳变到高电平对应的阈值电压不同！同相输入的迟滞

14、比较器 当时所对应的ui值是阈值，即：当时得上阈值：当时得下阈值：窗口比较器 窗口比较器的特点是ui单方向变化时可以使uo产生两次跳变。其电压传输特性如图。图中使uRHuRL，D1、D2作用是防止电流回流损坏运放，电阻、稳压管为限流和电平匹配设置。3.方波三角波发生电路起始状态，则,所以A2反相积分，uo2开始减小Uo2继续减小，至，则u01=-UCC,则uo2正向增加 uO2继续正向增加，至，则u01=UCC，则uo2减小 Uo2继续减小，至，则u01=-UCC,则uo2正向增加三角波峰峰值：方波峰峰值：波形频率：三、实验内容1.正弦波振荡器仿真电路图仿真波形从波形图中看出5ms内有5个周期，则一个周期为1ms，频率为1000Hz。2.电压比较器电路：波形图：输出电压转换时间受比较器翻转速度（压摆率SR）的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭。3.窗口比较器仿真波形图4.方波三角波发生电路总图波形图硬件部分示波器调试波形：正弦波振荡电路：从示波器中看出正弦波峰峰值为 3.4*2=6.8v.方波：峰峰值=4.2*5=21v三角波：四、心得体会 这次本学期的最后一次项目，在学习过程中我们懂得了脉宽调制的原理，同时实验也更加形象的展示了结果。23