目標
在此實驗中，我們將研究脈寬調變及其在各種應用中的使用情況。
脈衝寬度調變(PWM)是一種將類比訊號編碼為單個數位位元的方法。PWM訊號由定義其行為的兩個主要分量組成：工作週期和頻率。
其透過將消息編碼成脈衝訊號來傳輸資訊，可用於馬達等電子裝置的功率控制，也可用於光伏太陽能電池充電器的主要演算法。
工作週期描述了訊號處於高位準（開啟）狀態的時間佔完成一個週期總時間的百分比（圖1）。
圖1. 工作週期
圖2為工作週期為0%、25%和100%的脈衝序列。
圖2. 工作週期為0%、25%和100%的脈衝序列
頻率決定PWM完成一個週期的速度，進而決定高低狀態之間切換的速度。
透過以夠快的速率和一定的工作週期改變數位訊號開/關狀態，向回應速度比PWM頻率更慢的元件（如音訊喇叭、馬達和電磁閥執行器）供電時，輸出將表現為恆定的電壓類比訊號。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 無焊試驗板和跳線套件
• 一個OP97運算放大器
• 一個1 kΩ電阻
• 一個10 kΩ電位計
脈衝寬度調變 — 工作原理
PWM是一種從高頻脈衝生成低頻輸出訊號的技術。透過在高低直流軌電壓之間快速切換逆變器橋臂的輸出電壓，其低頻輸出電壓可視為一個開關週期內的平均電壓。
除此之外，還有其他幾種生成脈衝寬度調變訊號的方法，包括類比技術、Σ-Δ調變和直接數位頻率合成。
較簡單的PWM訊號生成方法是比較兩個控制訊號：載波訊號和調變訊號。這稱為基於載波的PWM。載波訊號為高頻（開關頻率）三角波形。調變訊號可以為任何形狀。
使用這種方法，輸出波形可以是任何所需波形的PWM表示。對於機器而言，正弦波和梯形波最為常見。
請考慮圖3所示的電路。
圖3. PWM工作原理
根據PWM原理，運算放大器的負輸入採用載波訊號，正輸入採用調變訊號。因此，較高的調變訊號會使輸出在PWM週期內更長時間保持高位準。
硬體設定
建構PWM的試驗板電路（圖4）。
圖4. PWM工作原理 — 試驗板電路
程式步驟
第一個波形產生器用於生成載波訊號，向電路提供4 V峰對峰值幅度、2.5 V偏移、1 kHz三角波激發。第二個波形產生器用於產生3 V峰對峰值幅度、2.5 V偏移、50 Hz正弦波的調變訊號。
為運算放大器提供+5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入訊號，通道2上顯示輸出訊號。
圖5為包含兩個輸入訊號的兩個訊號產生器通道，其中，橙色為載波訊號，紫色為調變訊號。
圖5. 輸入訊號
圖6為示波器通道2上的輸出訊號圖。
圖6. PWM輸出
如果調變訊號的暫態幅度在某個時間點大於載波訊號，則輸出將為高位準。如果調變訊號低於載波訊號，則輸出將為低位準。
如果調變訊號峰值小於載波訊號的峰值，則輸出將為調變訊號的真實PWM表示。
使用直流調變電壓進行脈寬控制
背景知識
針對此項應用，我們將在開關模式配置中使用簡單的運算放大器 （更多詳情參見 實驗：運算放大器用於比較器）來展示直流電壓的脈衝寬度調變。
請考慮圖7所示的電路。
圖7. 使用直流調變電壓進行脈寬控制
該電路可用於簡單的比較器，其中運算放大器的負輸入連接到載波波形，而正輸入作為閾值電壓，用於確定何時在高壓輸出和低壓輸出之間轉換。電位計作為輸入基準電壓的分壓器，用於調整閾值電壓以及間接調整輸出訊號的工作週期。
硬體設定
建構使用直流調變電壓進行脈寬控制的試驗板電路（圖8）。
圖8. 使用直流調變電壓進行脈寬控制 — 試驗板電路
程式步驟
將第一個波形產生器用於VIN源，向電路提供幅度為5 V峰對峰值的1 kHz三角波激發。將第二個波形產生器用於具有5 V峰對峰值幅度的恆定電壓源。向運算放大器提供+5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入訊號，通道2上顯示輸出訊號。
波形圖如圖9所示。
圖9. 使用直流調變電壓進行脈寬控制 — 波形
輸出訊號是輸入電壓的PWM表示。請注意，透過改變電位計值，訊號工作週期會發生變化，而頻率保持不變。
使用非穩態觸發器生成固定50%工作週期的PWM訊號
背景知識
請考慮圖10所示的電路。
圖10. 使用非穩態觸發器生成PWM訊號
該電路顯示使用單個運算放大器的非穩態觸發器。考慮施密特觸發器的功能原理時，該功能很容易理解（在實驗：運算放大器用於比較器中研究的具有遲滯功能的比較器電路）：施密特觸發器的輸入端與運算放大器的反相輸入相同，其透過電阻電容網路連接到電路的輸出端。當電容電壓（也是施密特觸發器的輸入端）低於閾值下限時，輸出電壓等於電路的正電源電壓。現在，透過電阻R3對電容充電，直至達到施密特觸發器的閾值上限。因此，可以將運算放大器的輸出電壓驅動到負電源電壓。之後透過R3對電容放電，直到元件上的電壓達到施密特觸發器的閾值下限。運算放大器的輸出電壓會被驅動到正電源電壓，整個過程再次開始。
此電路的優勢是無需使用ADALM2000來生成載波（但工作週期固定為50%）。
硬體設定
建構使用非穩態觸發器生成PWM訊號的試驗板電路（圖11）。
圖11. 使用非穩態觸發器生成PWM訊號的試驗板電路
程式步驟
向電路提供±5 V電源電壓。配置示波器，以使輸出訊號顯示在通道1上。
圖12為示波器通道1上的輸出訊號圖。
圖12. 使用非穩態觸發器生成PWM訊號的輸出波形
請注意，輸出訊號的工作週期約為50%，而低/高電壓值往往達到正/負電源電壓值。
其他操作
在前一個示例中，我們使用非穩態觸發器生成了50%固定工作週期的PWM訊號。但是，我們如何調整工作週期呢？為此，我們需要稍微修改一下電路。
請看圖13所示的電路。
圖13. 調整使用觸發器生成PWM訊號電路的工作週期
圖10所示的電阻R3被電位計取代，並插入兩個二極體。現在電容的充電電流通過D1，而放電電流通過D2。根據電位計VR1的調整情況，通過上部分支電路的充電電流電阻與通過下部分支電路的放電電流電阻不同。
硬體設定
建構試驗板電路，該電路用於調整使用觸發器生成PWM訊號電路的工作週期（圖14）。
圖14. 用於調整使用觸發器生成PWM訊號電路的工作週期的試驗板電路
程式步驟
向電路提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸出訊號，通道2上顯示電容電壓（運算放大器的負輸入端）。
改變電位計值並注意工作週期的變化。產生的波形如圖15所示。
圖15. 調整使用非穩態觸發器生成PWM訊號波形的工作週期
在此示例中，工作週期設定為約25%。當工作週期改變時，開關頻率難免會略有變化，因為反相和同相輸入端的兩個耦合網路都會連接到運算放大器的輸出端。
問題
您能列舉一些有效使用脈衝寬度調變的實際應用嗎？
答案請參考 學子專區部落格。
