中国现代教育装备
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 教育科技  
一种脉冲宽度调节方法及实验
来源:《中国现代教育装备》杂志 时间:2021-6-25 15:46:30
  [导读]针对脉冲宽度调制波的采样信号频率和占空比分辨率相互耦合问题,提出了基于平均占空比的PWM波周期和占空比调节方法。实现占空比为N位的分辨率,将N拆分为计数位宽H和周期计数次数位宽L(N=H+L,L

  脉冲宽度调制Pulse Width Modulation(PWM),简称脉宽调制。它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、功率控制与变换等许多领域[1]。PWM通过改变脉冲宽度来控制等效输出电压,通过改变周期来控制输出波形频率。在周期确定条件下,通过改变占空比来改变等效输出电压,脉冲宽度调制波形多为占空比可变的方波。

  PWM技术广泛应用于直流电机和LED等驱动[2],特别是在LED驱动中,频闪是衡量LED照明灯具的一个重要指标。频闪是指电光源光通量以一定频率的波动。用手机对准光源经常可以发现条纹分布,这就是由于频闪引起的。某些程度的频闪不会引起注意,也不会让人产生生理上的不适,但有些频闪却真的可以引发一系列问题。早在20世纪90年代,就有大量的研究发现光源频闪与偏头痛、头痛、自闭症、视觉疲劳与不适等神经学疾病有密切关系,严重的会使人眼产生错觉,进而引发事故。LED驱动中,PWM波占空比α关系着光源光亮强度,为了实现高亮度分辨率,就需要位宽N较大;而减少频闪,提高LED驱动的稳定性就要求PWM波周期小,对应的数字处理器的自带时钟信号或外部接入时钟信号要求频率高。实际硬件中,很多应用能满足位宽和占空比分辨率的要求,但频率要求比较高,限制了方案的硬件实现[3]。比如,对于12位宽的PWM波,当期望实现PWM频率为100 kHz时,对应的数字处理器的定时/计数器模块的计数时钟信号的频率要求为100kHz*212=409.6 MHz,很显然,一般单片机难以适应此高频。

  数字处理器的定时/计数器模块来实现PWM波形,其中有一个重要的参数:定时/计数器中核心计数器的位宽N[4]。对于计数位宽N,计数器最大容量为2N,占空比α的分辨率为1/2N,位宽N越大,对应的占空比α分辨率越高。对于PWM波的周期T,跟计数的时间刻度ΔT有关,ΔT一般由数字处理器的自带时钟信号或外部接入时钟信号决定,对应的PWM波的周期T为2N•ΔT。很显然,在计数的时间刻度ΔT不变条件下,占空比α分辨率越高,PWM波的周期T越长[5]。在保证占空比α分辨率不变条件下,周期T越小,对应的时间刻度ΔT也越小,时间刻度对应的频率就要求越大,这样就要求外部时钟或数字处理器自带的时钟信号频率越高[6]。

  1 基于平均法的PWM调节方法

  2 平均PWM调节方法实验

  3 结语

  介绍了一种基于平均法的脉冲宽度调制(PWM)波产生原理,并利用单片机编程实现了算法。利用外部8 MHz晶体振荡器,以周期256 us和占空比分辨率为12位的PWM产生为例,介绍了基于STM32F103单片机产生的过程及波形分析验证。实验表明平均法能够利用低频采样信号产生相同周期和占空比分辨率的PWM信号,方法可以应用于LED的驱动,可以作为摄像头等的光源驱动电路。

  参考文献

  [1] 胡亚琦,胡翔宇,牛宝.基于FPGA直流电机的PWM控制[J].实验室研究与探索,2014,33(9):44-47.

  [2] 廉佐政,王海珍.基于STM32的PWM输出实验设计[J].实验技术与管理,2017,34(8):137-140.

  [3] 王春凤,李旭春,薛文轩.PWM直流调速系统实验教学实践[J].实验室研究与探索,2012,31(8):32-34.

  [4] 邓成良,丘水生,禹思敏.混沌脉冲宽度调制技术的研究[J].通信技术,2003(12):56-61.

  [5] 郝建卫.基于FPGA的脉冲宽度调制信号发生器[J].计算机工程,2013,39(2):260-264.

  [6] 娄慧波,毛承雄,陆继明,等.基于锯齿波的载波移相脉冲宽度调制技术[J].高电压技术,2012,38(4):993-998.

  [7] Kyumin Cho, Wonseok Oh, Yongseung Oh, Chigak In. A New High Resolution PWM Dimming Strategy for LED Lightings[C].//IEEE Applications Society Meeting, 2018,581-584.

  [8] 田会娟,柳建新,洪振,等.基于脉冲宽度调制的四色发光二极管调光调色方法[J].光学学报,2018,38(4):2-8.

  [9] 张恺,张玉钧,殷高方,等.基于脉冲宽度调制技术的水浊度探测研究[J].大气与环境光学学报,2012,7(1):63-71.

  [10] 魏志远,暴婷.脉冲宽度调变在智能LED[J],计算机软件和应用,2017,34(1):96-100.

刘恒 常建华 南京信息工程大学电子与信息工程学院


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