使用PWM控制来实现电压的变化控制

一、简介

　　PWM就是Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。

　　假设一个PWM信号，V = +5V，CLK = 13KHz，Duty = 50%，那么它输出的信号就可以看成是一个+2.5V的直流信号。

 

二、PWM的分辨率

　    假设（1）芯片自带的PWM模块分辨率为10bit

　　　　（2）PWM信号参数为：Voltage = +5V，CLK = 13KHz，Duty = 50%

　　分析：

　　　　（1）PWM模块的分辨率为10bit，那么它的可以分为1024个等级，所以一个周期可以分为1024个刻度。所以说，每一个刻度对应的电压可以是5V的1/1024，即4.88mV左右。所以可以在0-5V区间内，实现4.88mV的步进。

　　　　（2）若PWM的时钟为25MHz的话，其输出的PWM信号最高频率可达24.4KHz左右。

　　　　　　  计算过程：分辨率为10bit，那么PWM内部的计数cnt最高就从0-1023，而每次计数的间隔周期是1/25MHz，所以得出PWM信号频率为24.4KHz左右。

　　　　（3）也就说，在同一个输入时钟情况下，若要到达同一个电压，分辨率越高，所需要的计数cnt就越多，波形就越精细

 

三、PWM信号转换成直流信号

　　PWM信号可以使用RC低通滤波器（如下图所示）来实现将PWM信号转换成等效的直流信号。 

                                        

　　RC滤波器的截止频率计算公式为f = 1/(2π×RC)，也就是-3dB，换算过来为0.707倍，即输入1V，输出0.707V。  衰减增益的计算公式为 X dB = 20×lg(Au)。其中Au为增益。若增益Au为10^(-3/20)，换算过来分别就是0.707倍，-3dB。

 

　　原理：PWM信号的正周期会对RC滤波电路中的电容充电，而负周期则是电容对外放电。这样，电容随着PWM信号而充电、放电，从而使电容的电压在PWM信号等效的直流信号附近波动。

                 由于电容C需要充电，而且充电的时间常数为RC，存在充电电阻R，所以电容C无法跟随输入电压的高频部分变换而变换，从而将高频部分滤除掉。

 

　　具体来说，就是PWM信号经过傅立叶变换后，2.5V是直流分量，高频分量就被滤除掉了。或者这样理解，就是一个周期内积分的平均值。如下图所示，经过滤波后，直流部分的增益为4dB左右，也就是说，直信号的振幅为10^(4/10)=2.5V。

                   

　　接下来，我们使用FilterLab软件来模拟一个特定滤波器的增益曲线：

　                   　

　　该低通滤波器的截止频率为48.3Hz，对应的增益曲线如上图所示。当频率为13KHz时候，对应的增益为-46dB左右，也就是10^(-46/20) = 0.005倍左右。

　　也就是说，我们对一个13KHz的PWM信号滤波，使其成为直流信号，使用该参数的低通滤波器是可以的，其纹波信号会衰减到0.005倍。

 

四、电路模拟

　　我们用Multisim软件来进行仿真。需要注意的是时间常数τ=RC会影响电容的充电时间，也就是会影响到达稳点电压的时间。

                                                                                 

 

　　那么，用LTspice软件进行模拟来得到更精细的波形，对滤波后的波形放大来看，可以发现其纹波是比较小的。之所以有纹波，是因为RC滤波器的截止频率不够低，滤不掉所有的噪声。