测控电路课程设计PWM脉宽调制电路汇总

测控电路课程设计

PWM脉宽调制电路

学院：核工程与地球物理学院专业：测控技术与仪器班级： 10202202 姓名：学号：指导老师：谢军

PWM(PWM:Pulse Width Modulation)电路即脉冲宽度变调电路除了可以监控功率电路的输出状态之外，同时还提供功率元件控制信号，因此广泛应用在高功率转换效率的switching 电源、马达Inverter

、音响用D 极增幅器、DC-DC Converter、UPS等各种高功率电路。

PWM 电路基本原理依据: 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相同。PWM 控制原理, 将波形分为6 等份, 可由6 个方波等效替代。脉宽调制的分类方法有多种,如单极性与双极性, 同步式与异步式, 矩形波调制与正弦波调制等。单极性PWM 控制法指在半个周期内载波只在一个方向变换, 所得PWM 波形也只在一个方向变化, 而双极性PWM 控制法在半个周期内载波在两个方向变化, 所得PWM 波形也在两个方向变化。根据载波信号同调制信号是否保持同步, PWM 控制又可分为同步调制和异步调制。矩形波脉宽调制的特点是输出脉宽列是等宽的, 只能控制一定次数的谐波; 正弦波脉宽调制的特点是输出脉宽列是不等宽的, 宽度按正弦规律变化, 输出波形接近正弦波。正弦波脉宽调制也叫SPWM。根据控制信号产生脉宽是该技术的关键。目前常用三角波比较法、滞环比较法和空间电压矢量法。

PWM 电路主要功能是将输入电压的振幅转换成宽度一定的脉冲，换句话说它是将振幅资料转换成脉冲宽度。一般switching 输出电路只能输出电压振幅一定的信号，为了输出类似正弦波之

类电压振幅变化的信号，因此必需将电压振幅转换成脉冲信号。高功率电路分别由PWM 电路、Gate 驱动电路、Switching 输出电路构成，其中PWM 电路主要功能是使三角波的振幅与指令信号进行比较，同时输出可以驱动功率MOSFET 的控制信号，透过该控制信号控制功率电路的输出电压。

PWM电路的特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高、然而由于开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。

五．设计原理

1．脉宽调制控制电路的工作原理

图1 PWM控制电路原理 Uu0 uc D

基本的脉宽调制控制电路包括电压-脉宽变换器和开关式功率放大器两部分，如图1所示。运算放大器N工作在开环状态，实现把连续电压信号变成脉冲电压信号。二极管VD在V1关断时为感性负载RL提供释放电感储能形成续流回路。N 的反相端输入三个信号：一个是锯齿波或三角波调制信号up，其频率是主电路所需的开关调制频率，一般为1~4kHz；另一个是控制电压uk，其极性与大小随时可变；再一个是负偏置电压u0，其作用是在Uc＝0时通过Rp的调节使比较器的输出电压Ub为宽度相等的正负方波。当Uc>0时，锯齿波过零的时间提前，结果在输出端得到正半波比负半波窄的调制方波。当Uc<0时，锯齿波过零的时间后移，结果在输出端得到正半波比负半波宽的调制方波。

u

E

UO

uE

UO

τ T T+τ 2T t τ T T+τ 2T t

图2 PWM控制负载的波形图

PWM信号加到主控电路的开关管V的基极时，负载RL两端电压uL的波形如图2所示。显然，通过PWM控制改变开关管在一个开关周期T内的导通时间τ的长短，就可实现对RL两端平均电压UL大小的控制。

2．设计利用555定时器组成的PWM电路

电路图如下图所示

图1 利用555组成的PWM电路

电路中IC1555组成的振荡器，但2,、6脚的接发与常用的方法不同，即2、6脚接一电阻R2，该IC1被触发之前，C1上的电压早已放到极低，这就为产生宽范围的PWM创造条件，电路中TR1三级IC1的方波输出器。IC2作为比较器，对IC1的两路输出信号进行变换，形成PWM波由TR2输出。该PWM的脉冲调制范围在5%~~90%。

3. NE555接脚图

Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。

Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。

Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC 电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。

Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON 时为

LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)

电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。放电端D（7脚）接在R1和R2之间。电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。

多谐振荡器的放电时间常数分别为

tPH≈0.7×（R1+R2）×C1

tPL≈0.7×R2×C1

振荡周期T和振荡频率f分别为

T=tPH+tPL≈0.7×（R1+2R2）×C1

f=1/T≈1/[0.7×（R1+2R2）×C1]

4.实验电路仿真

根据图1，对电路图进行仿真，如下图所示

六．实验结果与分析

1.焊接好的电路板

2.PWM波形输出

七．实验心得与体会

通过本次课程设计，我对PWM脉宽调制有了更深的掌握,对于我们把所学的测控电路的理论知识融入实践也起到了很大的作用，对我们今后的学习和工作也将起到很大的帮助。在相关的学习应用中，我深刻的体会到了PWM脉宽调制的优点，它大大的帮助了我们对有关理论知识的理解。课程设计过程中，不免会遇到问题，但通过查阅资料，解决问题等这一过程，让我受益匪浅。在本次的课程设计中我还学会了如何利用multisim对电路进行仿真。总之在这次的课程设计中困难与收获并行，我独自解决问题的能力也在这过程中有所提高，而这些从中收获到的东西相信在将来的学习中会起到更大的作用。