PWM(Pulse Width Modulation)控制——脉冲宽度调制技术。
PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术。
通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM 型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，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。
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。[编辑本段]
一、脉冲宽度调制基本原理
随着电子技术的发展，出现了多种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P WM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。
模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V, 5V}这一集合中取值。
模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。
尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。
通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
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二、脉冲宽度调制具体过程
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。
许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：
1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期
2、在PWM控制寄存器中设置接通时间
3、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚
4、启动定时器
5、使能PWM控制器
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三、脉冲宽度调制的优点
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
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。
总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
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四、脉冲宽度调制控制方法
采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率.
PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展, PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法.
4.1、相电压控制PWM
4.1.1、等脉宽PWM法[1]
VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,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.相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量.
4.1.2、随机PWM
在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注.为求得改善,随机PWM方法应运而生.其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其特殊的价值;另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机PWM技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路.
4.1.3、SPWM法
SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的P WM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案.
4.1.3.1、等面积法
该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PW M信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点.
4.1.3.2、硬件调制法
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制.
4.1.3.3、软件生成法
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法.
4.1.3.3.1、自然采样法[2]
以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制.
4.1.3.3.2、规则采样法[3]
规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样.
规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小.
以上两种方法均只适用于同步调制方式中.
4.1.3.4、低次谐波消去法[2]
低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为u(ωt)=ansinnωt,首先确定基波分量a1的值,再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程,联立求解得a1,a2及a3,这样就可以消去两个频率的谐波.
该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中.
4.1.4、梯形波与三角波比较法[2]
前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法--梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制.
由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波.
4.2、线电压控制PWM
前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时,都是对三相输出相电压分别进行控制的,使其输出接近正弦波,但是,对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载,逆变器输出不必追求相电压接近正弦,而可着眼于使线电压趋于正弦.因此,提出了线电压控制PWM,主要有以下两种方法.
4.2.1、马鞍形波与三角波比较法
马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波,调制信号便呈现出马鞍形,而且幅值明显降低,于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下,可以使基波幅值超过三角波幅值,提高了直流电压利用率.在三相无中线系统中,由于三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波[4].
除了可以注入三次谐波以外,还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形,这些信号都不会影响线
电压.这是因为,经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波,但在合成线电压时,各相电压中的这些谐波将互相抵消,从而使线电压仍为正弦波.
4.2.2、单元脉宽调制法[5]
因为,三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系,所以,某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和.现在把一个周期等分为6个区间,每区间60°,对于某一线电压例如Uuv,半个周期两边60°区间用Uuv本身表示,中间60°区间用-(Uvw+Uwu)表示,当将Uvw和Uwu作同样处理时,就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60°区间的两种波形形状,并且有正有负.把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号,载波仍用三角波,并把各区间的曲线用直线近
似(实践表明,这样做引起的误差不大,完全可行),就可以得到线电压的脉冲波形,该波形是完全
对称,且规律性很强,负半周是正半周相应脉冲列的反相,因此,只要半个周期两边60°区间的脉
冲列一经确定,线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了.这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号,但由于已知三相线电压的脉冲工作模式,就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了.
该方法不仅能抑制较多的低次谐波,还可减小开关损耗和加宽线性控制区,同时还能带来用微机控制的方便,但该方法只适用于异步电动机,应用范围较小.
4.3、电流控制PWM
电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号,把实际的电流波形作为反馈信号,通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断,使实际输出随指令信号的改变而改变.其实现方案主要有以下3种.
4.3.1、滞环比较法[4]
这是一种带反馈的PWM控制方式,即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器,得出相应桥臂开关器件的开关状态,使得实际电流跟踪给定电流的变化.该方法的优点是电路简单,
动态性能好,输出电压不含特定频率的谐波分量.其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音,和其他方法相比,在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多.
4.3.2、三角波比较法[2]
该方法与SPWM法中的三角波比较方式不同,这里是把指令电流与实际输出电流进行比较,求出偏差电流,通过放大器放大后再和三角波进行比较,产生PWM波.此时开关频率一定,因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点.但是,这种方式电流响应不如滞环比较法快.
4.3.3、预测电流控制法[6]
预测电流控制是在每个调节周期开始时,根据实际电流误差,负载参数及其它负载变量,来
预测电流误差矢量趋势,因此,下一个调节周期由PWM产生的电压矢量必将减小所预测的误差.该方法的优点是,若给调节器除误差外更多的信息,则可获得比较快速,准确的响应.目前,这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性.
4.4、空间电压矢量控制PWM [7]
空间电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法.它以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通,由它们的比较结果决定逆变器的开关,形成PWM波形.此法从电动机的
角度出发,把逆变器和电机看作一个整体,以内切多边形逼近圆的方式进行控制,使电机获得幅
值恒定的圆形磁场(正弦磁通).
具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式.磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量,若采样时间足够小,可合成任意电压矢量.此法输出电压比正弦波调制时
提高15%,谐波电流有效值之和接近最小.磁通闭环式引
入磁通反馈,控制磁通的大小和变化的速度.在比较估算磁通和给定磁通后,根据误差决定
产生下一个电压矢量,形成PWM波形.这种方法克服了磁通开环法的不足,解决了电机低速时,定子电阻影响大的问题,减小了电机的脉动和噪音.但由于未引入转矩的调节,系统性能没有得
到根本性的改善.
4.5、矢量控制PWM[8]
矢量控制也称磁场定向控制,其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia,Ib及I c,通过三相/二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;I t1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿对直流电动机的控制方法,实现对交流电动机的控制.其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制.通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制.
但是,由于转子磁链难以准确观测,以及矢量变换的复杂性,使得实际控制效果往往难以达
到理论分析的效果,这是矢量控制技术在实践上的不足.此外.它必须直接或间接地得到转子磁
链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制,在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器,这显然给许多应用场合带来不便.
4.6、直接转矩控制PWM[8]
1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Con trol简称DTC).直接转矩控制与矢量控制不同,它不是通过控制电流,磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量来控制,它也不需要解耦电机模型,而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值,然后,经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制,从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,能方便地实现无速度传感器化,有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度,并以新颖的控制思想,简洁明了的系统结构,优良的动静态性能得到了迅速发展.
但直接转矩控制也存在缺点,如逆变器开关频率的提高有限制.
4.7、非线性控制PWM
单周控制法[7]又称积分复位控制(Integration Reset Control,简称IRC),是一种新型非线性控制技术,其基本思想是控制开关占空比,在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例.该技术同时具有调制和控制的双重性,通过复位开关,积分器,触发电路,比较器达到跟踪指令信号的目的.单周控制器由控制器,比较器,积分器及时钟组成,其中控制器可以是RS触发器,其控制原理如图1所示.图中K可以是任何物理开关,也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号.
单周控制在控制电路中不需要误差综合,它能在一个周期内自动消除稳态,瞬态误差,使前
一周期的误差不会带到下一周期.虽然硬件电路较复杂,但其克服了传统的PWM控制方法的不
足,适用于各种脉宽调制软开关逆变器,具有反应快,开关频率恒定,鲁棒性强等优点,此外,单周
控制还能优化系统响应,减小畸变和抑制电源干扰,是一种很有前途的控制方法.
4.8、谐振软开关PWM
传统的PWM逆变电路中,电力电子开关器件硬开关的工作方式,大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt限制了开关器件工作频率的提高,而高频化是电力电子主要发展趋势之一,它能使变换器体积减小,重量减轻,成本下降,性能提高,特别当开关频率在18kHz以上时,噪声将已超过人类听觉范围,使无噪声传动系统成为可能.
谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上,附加一个谐振网络,谐振网络一般由谐振电感,谐振电容和功率开关组成.开关转换时,谐振网络工作使电力电子器件
在开关点上实现软开关过程,谐振过程极短,基本不影响PWM技术的实现.从而既保持了PWM 技术的特点,又实现了软开关技术.但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗,并使
电路受固有问题的影响,从而限制了该方法的应用。
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五、脉冲宽度调制相关应用领域
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。
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六、脉冲宽度调制技术的具体应用
脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM 型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。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。
6.1、PWM软件法控制充电电流
本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。
6.2 PWM在推力调制中的应用
1962年，Nicklas等提出了脉冲调制理论，指出利用喷气脉冲对航天器控制是简单有效的控制方案，同时能使时间或能量达到最优控制。
脉宽调制发动机控制方式是在每一个脉动周期内，通过改变阀门在开或关位置上停留的时间来改变流经阀门的气体流量，从而改变总的推力效果，对于质量流率不变的系统，可以通过脉宽调制技术来获得变推力的效果。
脉宽调制通常有两种方法[15]：第一种为整体脉宽调制，对控制对象进行控制器设计，并根据控制要求的作用力大小，对整个系统模型进行动态的数学解算变换，得出固定力输出应该持续作用的时间和开始作用时间；第二种为脉宽调制器，不考虑控制对象模型，而是根据输入进行“动态衰减”性的累加，然后经过某种算法变换后，决定输出所持续的时间。这种方式非常简单，也能达到输出作用近似相同。
脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟，俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度稳定系统控制中。但是当调制量为零时，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明显比变流率系统低。而且系统响应有一定的滞后，其开关的频率必须远大于KKV本身的固有频率，否则不但起不到调制效果，甚至会发生灾难性后果。
脉冲宽度调制
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 PWM之所以要配置这么多的寄存器是（表中只有少部分不用配置），应因为基本上是定时器不仅有PWM输出还有间隔定时器、方波输出、外部事件计数器、分频器、输入脉冲间隔测量、输入信号的高/低电平宽度的测量、延迟计数器、单触发脉冲输出功能。 首先配置PER0中的TAU0EN为1，允许输入时钟的供应。再用TPS0来分频得到CK01、CK00这两个时钟（在选择的通道0和通道1是的时钟时可以选择一个时钟作为两个时钟，当然也可以一个通道一个时钟）。 接下来是控制定时器单元启停的TE0、TS0、TT0，其中TE0 也就是说在这里我们不用配置。 TS0和TSH0寄存器是触发寄存器，用于初始化定时器/计数器寄存器0n (TCR0n)并开始各通道的计数操作。(启用) TT0和TTH0寄存器为用于停止各通道的计数操作的触发寄存器。（停用） 接下来是控制输出寄存器TOE0、TO0、TOL0、TOM0，其中TOE0寄存器用于允许或禁止各通道的定时器输出。TO0寄存器是各通道的定时器输出的缓冲器寄存器。TOL0寄存器是用于控制各通道定时器输出电平的寄存器。TOM0寄存器用于控制各通道的定时器输出模式。（这里我们选择TOM0的TOM01为1：从属通道输出模式）
脉冲与数字电路——模拟试题一及答案
脉冲与数字电路试题 第一套 一、单选题(每题1分) 1. 回差是( )电路的特性参数。 A 时序逻辑 B 施密特触发器 C 单稳态触发器 D 多谐振荡器 2. 石英晶体多谐振荡器的主要优点是( )。 A 电路简单 B 频率稳定度高 C 振荡频率高 D 振荡频率低 3. 对TTL 与非门多余输入端的处理，不能将它们( )。 A 与有用输入端并联 B 接地 C 接高电平 D 悬空 4. TTL 与非门的关门电平是0.8V ，开门电平是2V ，当其输入低电平为0.4V ，输入高电平为 3.2V 时，其低电平噪声容限为( ) A 1.2V B 1.2V C 0.4V D 1.5V 5. 逻辑函数ACDEF C AB A Y +++=的最简与或式为（ ） A ．C A Y += B. B A Y += C. AD Y = D. AB Y = 6. 在什么情况下，“与非”运算的结果是逻辑0。 （ ） A ．全部输入是0 B. 任一个输入是0 C. 仅一个输入是0 D. 全部输入是1 7. 组合逻辑电路（ ）。 A 一定是用逻辑门构成的 B 一定不是用逻辑门构成的 C 一定是用集成逻辑门构成的 D A 与B 均可 8. 已知逻辑函数的真值表如下，其表达式是（ ） A ．C Y = B ．AB C Y = C ．C AB Y += D ．C AB Y +=
图2202 9. 要把不规则的矩形波变换为幅度与宽度都相同的矩形波，应选择( )电路。 A 多谐振荡器 B 基本RS 触发器 C 单稳态触发器 D 施密特触发器 10. 所谓三极管工作在倒置状态，是指三极管( )。 A 发射结正偏置，集电结反偏置 B 发射结正偏置，集电结正偏置 C 发射结反偏置，集电结正偏置 D 发射结反偏置，集电结反偏置 11. TTL 与非门的关门电平为0.8V ，开门电平为2V ，当其输入低电平为0.4V ，输入高电平 为3.5V 时，其输入高电平噪声容限为( )。 A 1.1 V B 1.3V C 1.2V D 1.5V 12. 下图电路，正确的输出逻辑表达式是（ ）。 A ． CD AB Y += B ． 1=Y C ． 0=Y D ． D C B A Y +++= 图2204 13. 下列消除竞争—冒险的方法中错误的是（ ）。 A 修改逻辑设计 B 引入封锁脉冲 C 加滤波电容 D 以上都不对 14. 连续86个1同或, 其结果是 （ ） A ． 1 B ． 0 C ． 86 D ． 286 15. 主从JK 型触发器是( )。
脉冲与数字电路_张珣_习题
1.用一片74LS153及适当的门电路实现一位全加器. 2.用一片74LS90实现模8计数器(5421BCD码) 要求写出设计全过程,记录实验结果,计数器先用指示灯记录状态,再用示波器观察并记录波形 3．扇出系数N0的含意是什么? ∑)6,4,3,0(m,要求电路最简。 1.用与非门实现函数F(A,B,C)= 2.用74LS90实现M＝24的8421BCD码计数器，先用数码管显示计数器状态，再 用示波器观察24分频信号，要求写出设计全过程，记录实验结果。 3．与非门的多余输入端如何处理? 1. 用74LS283实现8421BCD码加法时需有一个校正网络,试求出校正网络的函 数表达式,并搭试其电路。 注: 校正网络的输入信号可由开关提供。 2. 用74LS90构成一个模6计数器(用置9端实现)。 要求写出设计全过程,记录实验结果,计数器先用指示灯记录状态,再用示波器观察并记录波形。 3．扇出系数N0的含意是什么? 1．用与非门实现一个满足三人参加的多数表决器. 2．用一片74LS90及适当的门电路实现模7计数器(5421BCD码置9端) 3．扇出系数N0的含意是什么? ∑)6,4,3,0(m。 1.用一块74LS153及适当的门电路实现函数F(A,B,C)= 2.用一片74LS90及适当的门电路实现模7计数器(5421BCD码置9端) 3.普通的纽子开关能否用做CP脉冲?为什么? 1.74LS153实现一位全加器电路,要求写出设计全过程,记录实验结果。 2.用74LS90及与非门实现交通灯控制电路: ①A通道9秒绿灯,B通道9秒红灯； ②A通道9秒红灯,B通道9秒绿灯。
PWM(脉冲宽度调制Pulse Width Modulation)原理
1、 PWM原理 2、调制器设计思想 3、具体实现设计 一、 PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）原理： 脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。 通过图1b的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTs< 其中，。无需作频谱分析，由式（2）可以看出脉冲宽度信号由语 音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。 二、数字脉冲宽度调制器的实现： 实现数字脉冲宽度调制器的基本思想参看图2。 图中，在时钟脉冲的作用下，循环计数器的5位输出逐次增大。5位数字调制信号用一个寄存器来控制，不断于循环计数器的输出进行比较，当调制信号大于循环计数器的输出时，比较器输出高电平，否则输出低电平。循环计数器循环一个周期后，向寄存器发出一个使能信号EN，寄存器送入下一组数据。在每一个计数器计数周期，由于输入的调制信号的大小不同，比较器输出端输出的高电平个数不一样，因而产生出占空比不同的脉冲宽度调制波。 图3 为了使矩形脉冲的中心近似在t=kTs处，计数器所产生的数字码不是由小到大或由大 脉冲宽度调制 目录[隐藏] 一、脉冲宽度调制基本原理 二、脉冲宽度调制具体过程 三、脉冲宽度调制的优点 四、脉冲宽度调制控制方法 五、脉冲宽度调制相关应用领域 六、脉冲宽度调制技术的具体应用 一、脉冲宽度调制基本原理 二、脉冲宽度调制具体过程 三、脉冲宽度调制的优点 四、脉冲宽度调制控制方法 五、脉冲宽度调制相关应用领域 六、脉冲宽度调制技术的具体应用 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”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。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，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。 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。 [编辑本段] 一、脉冲宽度调制基本原理 随着电子技术的发展，出现了多种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。 模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可 数字电子技术（第2版）第一套A卷 一、单选题(每题1分) 1.回差是( )电路的特性参数。 A时序逻辑 B 施密特触发器 C 单稳态触发器 D 多谐振荡器 2.石英晶体多谐振荡器的主要优点是( )。 A电路简单 B 频率稳定度高 C 振荡频率高 D 振荡频率低 3.对TTL与非门多余输入端的处理，不能将它们( )。 A与有用输入端并联 B 接地 C 接高电平 D 悬空 4. TTL与非门的关门电平是0.8V，开门电平是2V，当其输入低电平为0.4V，输入高电平 为3.2V 时，其低电平噪声容限为( ) A 1.2V B 1.2V C 0.4V D 1.5V 5.逻辑函数ACDEF + =的最简与或式为（） + Y+ A C AB A．C = B. B A Y+ Y= D. AB Y= = C. AD Y+ A 6.在什么情况下，“与非”运算的结果是逻辑0。（） A．全部输入是0 B. 任一个输入是0 C. 仅一个输入是0 D. 全部输入是1 7.组合逻辑电路（）。 A一定是用逻辑门构成的 B 一定不是用逻辑门构成的 C 一定是用集成逻辑门构成的 D A与B均可 8.已知逻辑函数的真值表如下，其表达式是（） １ ２ A ．C Y = B ．AB C Y = C ．C AB Y += D ．C AB Y += 图2202 9. 要把不规则的矩形波变换为幅度与宽度都相同的矩形波，应选择( )电路。 A 多谐振荡器 B 基本RS 触发器 C 单稳态触发器 D 施密特触发器 10. 所谓三极管工作在倒置状态，是指三极管( )。 A 发射结正偏置，集电结反偏置 B 发射结正偏置，集电结正偏置 C 发射结反偏置，集电结正偏置 D 发射结反偏置，集电结反偏置 11. TTL 与非门的关门电平为0.8V ，开门电平为2V ，当其输入低电平为0.4V ，输入高电 平为3.5V 时，其输入高电平噪声容限为( )。 A 1.1 V B 1.3V C 1.2V D 1.5V 12. 下图电路，正确的输出逻辑表达式是（ ）。 A ． CD A B Y += B ． 1=Y C ． 0=Y D ． D C B A Y +++= 、PWM原理 2、调制器设计思想 3、具体实现设计 一、PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）原理： 脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。 通过图1b的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTs< （1） 其中，x{t}是离散化的语音信号；Ts是采样周期；是未调制宽度；m是调制指数。 然而，如果对矩形脉冲作如下近似：脉冲幅度为A，中心在t = k Ts处，在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波xp(t)可以表示为： （2） 其中，。无需作频谱分析，由式（2）可以看出脉冲宽度信号由语音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。 二、数字脉冲宽度调制器的实现： 实现数字脉冲宽度调制器的基本思想参看图2。 图中，在时钟脉冲的作用下，循环计数器的5位输出逐次增大。5位数字调制信号用一个寄存器来控制，不断于循环计数器的输出进行比较，当调制信号大于循环计数器的输出时，比较器输出高电平，否则输出低电平。循环计数器循环一个周期后，向寄存器发出一个使能信号EN，寄存器送入下一组数据。在每一个计数器计数周期，由于输入的调制信号的大小不同，比较器输出端输出的高电平个数不一样，因而产生出占空比不同的脉冲宽度调制波。 图3 为了使矩形脉冲的中心近似在t=kTs处，计数器所产生的数字码不是由小到大或由大到小顺序变化，而是将数据分成偶数序列和奇数序列，在一个计数周期，偶数序列由小变大，直到最大值，然后变为对奇数序列计数，变化为由大到小。如图3例子。 奇偶序列的产生方法是将计数器的最后一位作为比较数据的最低位，在一个计数周期内，前半个周期计数器输出最低位为0，其他高位逐次增大，则产生的数据即为偶数序列；后半个周期输出最低位为1，其余高位依次减小，产生的数据为依次减小的偶序列。具体电路可以由以下电路图表示： 三、8051中的PWM模块设计： 《脉冲与数字电路》试题一（满分100分） 一、填空题（每空1分，共40分） 1、脉冲是指存在时间极短的（）或（）的波形。在脉冲数字电路中， 常用的是（）脉冲。 2、电容器充放电过程中，充放电的快慢取决于RC的大小。RC大，则充放电进行的（）； RC小，则充放电进行的（）。 3、二极管和三极管都具有（）特性。利用二极管的单向导电性，可将其作为 （）使用。处于开关状态下的晶体管，其工作点在（）区和（）区之间跳动。 4、（）是最基本的开关电路，它的特点是输出信号和输出信号反相。 5、触发器是数字电路的一种基本（）单元，它能够（）一位二进制的 信息。它应具备如下功能：有两个（），在输入信号的作用下，它可以置于（）态，也可以置于（）态；它还必须具有（）功能。 6、对于同步RS触发器，用作计数器时，触发器会发生多次翻转，即出现（） 现象。 7、TTL电路的电压传输特性分为（）、（）、（）和（） 四个阶段。 8、时序电路逻辑功能的特点是：电路任意时刻的输出信号不仅与当时的（） 有关，还与电路原来的状态有关。 9、寄存器是具有能够（）、（）和传送数码的一种逻辑记忆元件，它 分为（）和（）两种。 10、计数器是数字系统中能（）输入脉冲个数的数字电路。它可用来（）、 （）、（）。 11、卡诺图化简中，两个相邻最小项合并可消去（）个变量；八个相邻最小项合 并可消去（）个变量 12、CC7555集成电路由（）、（）和（）、 放电管V以及（）组成。 13、集成施密特触发器由（）、（）、（）和（） 四部分组成。 二、判断题（每小题1分，共20分） 1、脉冲分压器中的加速电容Ci是使输出电压变化加快，以克服Co的延缓作用。（） 2、积分电路的输出延缓了输入的跳变部分。（） 3、双稳态电路在电源接通后，电路一定处于V1饱和，V2截止。（） 4、逻辑代数中的“加”和普通代数中的“加”完全一样。（） 5、TTL电路中，V 6、V7对输入信号起箝位作用。（） 6、式子A+AB=A成立。（） 7、TTL电路实现了“与非”逻辑功能。（） 8、由真值表得到的表达式一定是最简与或式。（） 9、一位十六进制可以用四位二进制来表示。（） 10、时序电路具有记忆功能。（） 11、同步触发器中，CP脉冲到来之前，触发器不工作。（） 12、编码和译码是两个相反的过程。（） 13、对于JK触发器存在一次变化现象。（） 摘要 随着电力电子技术、微处理技术的发展以及永磁材料技术的进步，交、直流电动机调速及伺服系统正在向一体化电动机以及控制数字化的方向发展，而脉宽调制（PWM）技术以及相应的功率开关电路技术则是控制数字化的基础。 本次课程设计使用的是STC89C52单片机，将4~20mA电流变为电压信号通过AD 采样进入单片机，最后输出PWM占空比，通过改变电流对占空比进行改变。程序中T0定时器采用中断的方式控制PWM信号的频率，T1定时器采用查询方式控制PWM的占空比。在本设计的基础上，加上74LS164四位静态数码LED显示，则可实时显示占空比。 关键词：脉冲宽度调制；STC89C52RC单片机；C51 目录 第1章概述 1.1脉冲宽度调制的理论基础 1.2脉冲宽度调制的应用 第2章总体方案设计 2.1系统设计 2.2 硬件设计及框图 第3章硬件设计 3.1单片机做小系统 3.2串口及电路 3.3AD转换及电路 3.4显示电路 第4章软件设计 4.1开发环境和工具介绍 4.2单片机软件介绍 4.2.1流程设计 第5章总结 参考文献 附录A：***硬件原理图 附录B：***源程序 第一章概述 随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制 (PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛应用。经过几十年的研究与发展PWM变流器技术已日趋成熟，PWM变流器主电路己从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路;其拓扑结构己从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路;PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制;功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压型变流器(voltageSoureeRectifier-VSR)，也有电流源型变流器 (eurrentsoureeRectifier-esR)，并且两者在工业上均成功地投入了应用。 PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制，它通过控制信号去调制方波脉冲的宽度，从而获得控制的实现。产生PWM 信号可以由硬件方法和软件方法实现。传统的硬件模拟方法是把调制信号和载波(一般是三角波)同时接入运算放大器的两个输入端作比较而得到。而软件的实现，特别是基于单片机的软件实现方法，主要是利用其内部提供的定时器，通过改变定时器的定时初值获得不同的脉冲持续时间，如果把系统的控制信号和定时器的定时初值线性对应起来，就可获得控制信号对脉宽调制的PWM信号。所以这样线性的对应过程就成为这个实现过程的关键。控制信号的种类不同，采用不同的计算方法，又可以获得不同的PWM。 1.1脉冲宽度调制的理论基础 在电子电路中，电源、放大、振荡和调制电路被称为模拟电子电路，因为它们加工和处理的是连续变化的模拟信号。电子电路中另一大类电路的数字电子电路。它加工和处理的对象是不连续变化的数字信号。数字电子电路又可分成脉冲电路和数字逻辑电路，它们处理的都是不连续的脉冲信号。脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。家用电器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等，都要用到脉冲电路。 电脉冲有各式各样的形状，有矩形、三角形、锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的，最具有代表性的是矩形脉冲。要说明一个矩形脉冲的特性可以用脉冲幅度Um 、脉冲周期T 或频率f 、脉冲前沿t r 、脉冲后沿t f 和脉冲宽度t k 来表示。如果一个脉冲的宽度t k =1 ／2T ，它就是一个方波。 脉冲电路和放大振荡电路最大的不同点，或者说脉冲电路的特点是：脉冲电路中的晶体管是工作在开关状态的。大多数情况下，晶体管是工作在特性曲线的饱和区或截止区的，所以脉冲电路有时也叫开关电路。从所用的晶体管也可以看出来，在工作频率较高时都采用专用的开关管，如2AK 、2CK 、DK 、3AK 型管，只有在工作频率较低时才使用一般的晶体管。 就拿脉冲电路中最常用的反相器电路（图1 ）来说，从电路形式上看，它和放大电路中的共发射极电路很相似。在放大电路中，基极电阻R b2 是接到正电源上以取得基极偏压；而这个电路中，为了保证电路可靠地截止，R b2 是接到一个负电源上的，而且R b1 和R b2 的数值是按晶体管能可靠地进入饱和区或止区的要求计算出来的。不仅如此，为了使晶体管开关速度更快，在基极上还加有加速电容C ，在脉前沿产生正向尖脉冲可使晶体管快速进入导通并饱和；在脉冲后沿产生负向尖脉冲使晶体管快速进入截止状态。除了射极输出器是个特例，脉冲电路中的晶体管都是工作在开关状态的，这是一个特点。 脉冲电路的另一个特点是一定有电容器（用电感较少）作关键元件，脉冲的产生、波形的变换都离不开电容器的充放电。 产生脉冲的多谐振荡器 脉冲有各种各样的用途，有对电路起开关作用的控制脉冲，有起统帅全局作用的时钟脉冲，有做计数用的计数脉冲，有起触发启动作用的触发脉冲等等。不管是什么脉冲，都是由脉冲信号发生器产生的，而且大多是短形脉冲或以矩形脉冲为原型变换成的。因为矩形脉冲含有丰富的谐波，所以脉冲信号发生器也叫自激多谐振荡器或简称多谐振荡器。如果用门来作比喻，多谐振荡器输出端时开时闭的状态可以把多谐振荡器比作宾馆的自动旋转门，它不需要人去推动，总是不停地开门和关门。 （ 1 ）集基耦合多谐振荡器 图2 是一个典型的分立元件集基耦合多谐振荡器。它由两个晶体管反相器经RC 电路交叉耦合接成正反馈电路组成。两个电容器交替充放电使两管交替导通和截止，使电路不停地从一个状态自动翻转到另一个状态，形成自激振荡。从 A 点或 B 点可得到输出脉冲。当R b1 =R b2 =R ，C b1 =C b2 =C 时，输出是幅度接近E 的方波，脉冲周期T=1.4RC 。 第一章数字逻辑基础 1.1 数字电路概述 1.1.1 数字电路与模拟电路 电子电路根据其处理的信号不同可以分为模拟电子电路和数字电子电路。 1.模拟信号和模拟电路 模拟信号：在时间上和数值上都是练习变化的信号。 模拟电路：处理模拟信号的电子电路。 2.数字信号和数字电路 数字信号：在时间上和数值上都是离散（变化不连续）的信号。 数字电路：处理数字信号的电子电路。 3.数字电路的特点 ①数字电路内部的晶体管（包括单、双极型）主要工作在饱和导通或截止状态；模拟电路内部的晶体管主要工作在放大状态。 ②数字电路的信号只有两种状态：高电平和低电平，分别对应于（或代表）二进制数中的1和0，表示信号的有或无，便于数据处理。 ③数字电路结构相对简单，功耗较低，便于集成。 ④数字电路抗干扰能力强。其原因是利用脉冲信号的有无传递1和0的数字信息，高低电平间容差较大，幅度较小的干扰不足以改变信号的有无状态。 ⑤数字电路不仅能完成数值运算，而且还能进行逻辑运算和比较判断，从而在计算机系统中得到广泛应用。 4.数字电路的分类 ①按电路的组成结构可分为分列元件电路和集成电路。 ②按数字电路集成度可分为小规模、中规模、大规模和超大规模集成电路。 ③按集成电路内部器件可分为双极型和单级型。 ④按电路的逻辑功能可分为组合逻辑和时序逻辑电路。 1.1.2脉冲波形参数 数字电路信号中，研究的对象是一些不连续的突变的电信号，作用时间很短，所以也称为脉冲信号。 脉冲信号波形形状很多，主要有方波、矩形波、三角波、锯齿波等。 ①脉冲幅度Um。脉冲电压变化的最大值，即脉冲波从波底至波顶之间的电压。 ②上升时间t r。脉冲波前沿从0.1Um上升到0.9Um所需的时间。 ③下降时间t f。脉冲波后沿从0.9Um下降到0.1Um所需的时间。 ④脉冲宽度t w。脉冲波从上升沿的0.5Um至下降沿0.5Um所需的时间。 ⑤脉冲周期T。在周期性脉冲信号中，任意两个相邻脉冲上升沿（或下降沿）之间的时间 间隔。 ⑥重复频率f（单位：Hz）。每秒脉冲信号出现的次数，即脉冲周期的倒数：f=1/T。 ⑦占空比q。脉冲宽度与脉冲周期的比值，q=t w/T。 1.2.1数制与编码 脉冲宽度调制(PWM)技术 在电力电子变流器控制系统中，对于控制电路的要求往往是除能够控制负载的加电与断电外，还应该能够控制加载到负载上的电压高低及功率大小。在大功率电力电子电路中，控制加载至负载上电压及功率的实用方法就是脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)。 1. 面积等效原理 在控制理论中，有一个重要的原理，即冲量等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量(冲量)作用在具有惯性的环节上时，只要这些变量对时间的积分相等，其作用的效果将基本相同。这里所说的效果基本相同是指惯性环节的输出响应波形基本相同。例如，下图1示出的三个窄脉冲电压波形分别为矩形波、三角波和正弦波，但这二个窄脉冲电压对时间的积分相等，或者说它们的面积相等。当这三个窄脉冲分别作用在只有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。因此，冲量等效原理也可以称为面积等效原理。 从数学角度进行分析，对上图1所示的三个窄脉冲电压波形进行傅里叶变换，则其低频段的特性非常相近，仅在高频段有所不同，而高频段对于具有惯性负载的电路影响非常小。由此进一步证明了面积等效原理的正确性。 2. 脉冲宽度调制技术 依据面积等效原理，在电路中可以利用低端电源开关或高端电源开关，以一定频率的导通和截止连续切换，使电源电压U i以一系列等幅脉冲(或称为矩形波)的形式加载到负载上，加载在负载上的电源电压Uo波形如图2所示。 图2所示的矩形波的电压平均值： 此式表明在一个脉冲周期内，电压的平均值与脉冲的占空比是成正比的，于是，可以通过改变脉冲的占空比来调整加载到负载上的电压大小。当占空比小时，加载到负载上的平均电压就低，即加载到负载上的功率小；而占空比大时，加载到负载上的平均电压就高，加载到负载上的功率大。这种通过等幅脉冲调节负载平均电压及功率的方法称为脉冲宽度调制，也称为斩波控制。 采用脉冲宽度调制方式为负载供电，由于供电电压是脉动的，势必会产生出各种谐波。为了明确脉冲宽度调制技术对负载产生的影响，且考虑此分析结果便于以后章节引用，可将图2所示的等幅脉冲序列描述为 式中，G(t)为开关函数，其波形如图3所示。 在此式中，第一项DUi是等幅脉冲序列的直流成分，也即输出电压的平均值。可见，输出电 D C B A D C A B ++《数字电子技术》试卷 姓名：__ _______ 班级：__________ 考号：___________ 成绩：____________ 1. 有一数码10010011，作为自然二进制数时，它相当于十进制数（147），作为8421BCD 码时，它相当于十进制数（93 ）。 2.三态门电路的输出有高电平、低电平和（高阻）3种状态。 3．TTL 与非门多余的输入端应接（高电平或悬空）。 4．TTL 集成JK 触发器正常工作时，其d R 和d S 端应接（高）电平。 5. 已知某函数?? ? ??+??? ??++=D C AB D C A B F ，该函数的反函数F = （ ）。 6. 如果对键盘上108个符号进行二进制编码，则至少要（ 7）位二进制数码。 7. 典型的TTL 与非门电路使用的电路为电源电压为（5 ）V ，其输出高电平为（3.6）V ，输出低电平为（0.35）V ， CMOS 电路的电源电压为（ 3--18） V 。 8．74LS138是3线—8线译码器，译码为输出低电平有效，若输入为A 2A 1A 0=110时，输出 01234567Y Y Y Y Y Y Y Y 应为（ 10111111 ）。 9．将一个包含有32768个基本存储单元的存储电路设计16位为一个字节的ROM 。该ROM 有（ 11）根地址线，有（16）根数据读出线。 10. 两片中规模集成电路10进制计数器串联后，最大计数容量为（ 100）位。 11. ＝（AB ）。 12. 13．驱动共阳极七段数码管的译码器的输出电平为（ 低）有效。 二、单项选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分） （在每小题列出的四个备选项中只有一个是最符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。） 1. 函数F(A,B,C)=AB+BC+AC 的最小项表达式为( A ) 。 A ．F(A,B,C)=∑m （0，2，4） B. (A,B,C)=∑m （3，5，6，7） C ．F(A,B,C)=∑m （0，2，3，4） D. F(A,B,C)=∑m （2，4，6，7） 2．8线—3线优先编码器的输入为I 0—I 7 ，当优先级别最高的I 7有效时，其输出012Y Y Y ??的值是（ C ）。 A ．111 B. 010 C. 000 D. 101 3．十六路数据选择器的地址输入（选择控制）端有（ C ）个。 A ．16 B.2 C.4 D.8 4. 有一个左移移位寄存器，当预先置入1011后，其串行输入固定接0，在4个移位脉冲CP 作用下，四位数据的移位过程是（ A ）。 A. 1011--0110--1100--1000--0000 B. 1011--0101--0010--0001--0000 C. 1011--1100--1101--1110--1111 D. 1011--1010--1001--1000--0111 5．已知74LS138译码器的输入三个使能端（E 1=1， E 2A = E 2B =0）时，地址码A 2A 1A 0=011，则输出 Y 7 ～Y 0是( C ) 。 A. 11111101 B. 10111111 C. 11110111 D. 11111111 6. 一只四输入端或非门，使其输出为1的输入变量取值组合有( A )种。 A ．15 B ．8 C ．7 D ．1 7. 随机存取存储器具有( A )功能。 A.读/写 B.无读/写 C.只读 D.只写 8．N 个触发器可以构成最大计数长度（进制数）为( D )的计数器。 A.N B.2N C.N 2 D.2N 9．某计数器的状态转换图如下， 其计数的容量为( B ) A ． 八 B. 五 C. 四 D. 三 10．已知某触发的特性表如下（A 、B ( C )。 A ． Q n+1 ＝A B. n n 1n Q A Q A Q +=+ C. n n 1n Q B Q A Q +=+ D. Q n+1 ＝ B 脉冲宽度调制 编辑 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”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。 目录 1简介 2背景介绍 3基本原理 4谐波频谱 5具体过程 6优点 7控制方法 8应用领域 9具体应用 1 简介 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压 电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 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波开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。 2背景介绍 随着电子技术的发展，出现了多种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。 模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。 3基本原理 脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于∏/n ，但幅值不等，且脉冲顶 如何看懂脉冲电路 2010-06-2215:28:07作者:来源：21IC电子网 脉冲电路是专门用来产生电脉冲和对电脉冲进行放大、变换和整形的电路。家用电器中的定时器、报警器、电子开关、电子钟表、电子玩具以及电子医疗器具等，都要用到脉冲电路。 在电子电路中，电源、放大、振荡和调制电路被称为模拟电子电路，因为它们加工和处理的是连续变化的模拟信号。电子电路中另一大类电路的数字电子电路。它加工和处理的对象是不连续变化的数字信号。数字电子电路又可分成脉冲电路和数字逻辑电路，它们处理的都是不连续的脉冲信号。 电脉冲有各式各样的形状，有矩形、三角形、锯齿形、钟形、阶梯形和尖顶形的，最具有代表性的是矩形脉冲。要说明一个矩形脉冲的特性可以用脉冲幅度Um、脉冲周期T或频率f、脉冲前沿t r、脉冲后沿t f和脉冲宽度t k来表示。如果一个脉冲的宽度t k=1／2T，它就是一个方波。 脉冲电路和放大振荡电路最大的不同点，或者说脉冲电路的特点是：脉冲电路中的晶体管是工作在开关状态的。大多数情况下，晶体管是工作在特性曲线的饱和区或截止区的，所以脉冲电路有时也叫开关电路。从所用的晶体管也可以看出来，在工作频率较高时都采用专用的开关管，如2AK、2CK、DK、3AK 型管，只有在工作频率较低时才使用一般的晶体管。 就拿脉冲电路中最常用的反相器电路（图1）来说，从电路形式上看，它和放大电路中的共发射极电路很相似。在放大电路中，基极电阻R b2是接到正电源上以取得基极偏压；而这个电路中，为了保证电路可靠地截止，R b2是接到一个负电源上的，而且R b1和R b2的数值是按晶体管能可靠地进入饱和区或止区的要求计算出来的。不仅如此，为了使晶体管开关速度更快，在基极上还加有加速电容C，在脉前沿产生正向尖脉冲可使晶体管快速进入导通并饱和；在脉冲后沿产生负向尖脉冲使晶体管快速进入截止状态。除了射极输出器是个特例，脉冲电路中的晶体管都是工作在开关状态的，这是一个特点。 PWM (脉冲宽度调制)原理与实现 1、PWM原理 2、调制器设计思想 3、具体实现设计 一、PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）原理： 脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为T s的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。 通过图1b的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTs< （2）其中，。无需作频谱分析，由式（2）可以看出脉冲宽度信号由语 音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。 二、数字脉冲宽度调制器的实现： 实现数字脉冲宽度调制器的基本思想参看图2。 图中，在时钟脉冲的作用下，循环计数器的5位输出逐次增大。5位数字调制信号用一个寄存器来控制，不断于循环计数器的输出进行比较，当调制信号大于循环计数器的输出时，比较器输出高电平，否则输出低电平。循环计数器循环一个周期后，向寄存器发出一个使能信号EN，寄存器送入下一组数据。在每一个计数器计数周期，由于输入的调制信号的大小不同，比较器输出端输出的高电平个数不一样，因而产生出占空比不同的脉冲宽度调制波。 数字电子技术基础习题答案 数字电子技术基础答案 第1章 自测题 1.1填空题 1. 100011.11 00110101.01110101 11110.01 1E.4 2. 4 3. n2 4. 逻辑代数卡诺图 5.) (D C B A F ) (D C B A F+ =' 6.) )( (C B D C B A F 7. 代数法卡诺图8. 1 1.2判断题 1. √ 2.√ 3. × 1.3选择题 1.B 2.C 3.C 1.4 A F= 1⊙B AB F 2 B A F+ = 3 1.5 A B L 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1.6 C L= 1.7 AB C B A BC Y 习题 1.1 当0000 1 2 A A A ,7 A 到3 A 有1个不为0时，就可以 被十进制8整除 1.2 (a)AC BC AB F ++=1 （b ）B A AB F +=2 (c)C B A S ⊕⊕= AC BC AB C 0 1.3略 1.4 (1) ）（B A D C F )(1 ) )((1B A D C F ++=' (2) ） （B A B A F )(2 ) )((2B A B A F ++=' (3) E D C B A F 3 D E C AB F =' 3 (4) ) ()(4D A B A C E A F ）（ ) )()((4D A C AB E A F +++=' 1.5 C B A F ⊕⊕= 1.6 (1) B A C B C A L (2) D B C B D C A L (3) AD L (4) E ABCD L (5) 0 L 1.7 C B A B C A C AB ABC C B A L ),,( 1.8(1) ABD D A C F 1 (2) BC AB AC F 2 (3) C A B A B A F 3 (有多个答案) (4) C B D C AB C A C D F +++=4 (5) C B A ABD C B A D B A F 5 (6) 1 6 F 1.9 (1) AD D C B B A F 1 (2) B A A C F 2 (3) D A D B C B F 3 (4) B C F 4 一、PWM技术原理 由于全控型电力半导体器件的出现，不仅使得逆变电路的结构大为简化，而且在控制策略上与晶闸管类的半控型器件相比，也有着根本的不同，由原来的相位控制技术改变为脉冲宽度控制技术，简称PwM技术。PwM技术可以极其有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方面有着明显的优点使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。采用PwM方式构成的逆变器，其输人为固定不变的直流电压，可以通过PwM技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。由于这种逆变器只有一个可控的功率级，简化了主回路和控制回路的结构，因而体积小、质量轻、可靠性高。又因为集凋压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好。此外，采用PwM技术不仅能提供较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。把每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲，每个脉冲的宽度为每两个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比γ为此时，电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果。 二、正弦波脉宽调制(sPwM） 1．sPwM的概念工程实际中应用最多的是正弦PwM法(简称sPwM)，它是在每半个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应每一等份的正弦波形下的面积可用一个与该面积相等的矩形来代替，于是正弦波形所包围的面积可用这N个等幅(Vd)不等宽的矩形脉冲面积之和来等效。各矩形脉冲的宽度自可由理论计算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角形载波相比较的方式来确定脉宽：因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当它与某一光滑曲线相交时，可得到一组幅值不变而宽。度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。若使脉冲宽度与正弦函数值成比例，则也可生成sPwM波形。在工程应用中感兴趣的是基波，假定矩形脉冲的幅值Vd恒定，半周期内的脉冲数N也不变，通过理论分析可知，其基波的幅值V1m脉宽δi有线性关系在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，如图5 3所示；这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。sPwM方式的控制方法可分为多种。从实现的途径可分为硬件电路与软件编程两种类型；而从工作原理上则可按调制脉冲的极性关系和控制波与载波间的频率关系来分类。按调制脉冲极性关系可分为单极性sPwM和双极性sPwM两种。 3．双极性sPwM法双极性控制则是指在输出波形的半周期内，逆变器同一桥臂中的两只元件均处于开关状态，但它们之间的关系是互补的，即通断状态彼此是相反交替的。这样输出波形在任何半周期内都会出现正、负极性电压交替的情况，故称之为双极性控制。与单极性控制方式相比，载波和控制波都变成了有正、负半周的交流方式，其输出矩形波也是任意半周中均出现正负交替的情况 4．sPwM生成方法正弦脉宽调制波(sPwM)的生成方法可分为硬件电路与软件编程两种方式。按照前面讲述的PWM逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成的SPWM波形变得比较容易，因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微机来实现。本节主要介绍用软件生成SPWM波形的几种基本算法。脉冲宽度调制技术的具体应用
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