互補(bǔ)PWM低通濾波

一、前言

這是昨天制作的STM32單片機(jī)測試電路板。下面對于它輸出PWM功能進(jìn)行測試。利用RC低通濾波器對PWM信號進(jìn)行濾波。這樣可以獲得一個(gè)由 PWM 占空比控制的 DAC 輸出。下面對于如何降低RC濾波之后的波紋進(jìn)行實(shí)際測量。

二、基本測試

設(shè)置單片機(jī)使用外部晶體，單片機(jī)工作的時(shí)鐘頻率為 72MHz。設(shè)置TIM4輸出兩個(gè)通道。它的16bit 計(jì)數(shù)器，周期為 0x10000 。

軟件中啟動 TIM4 的 PWM 功能。根據(jù)單片機(jī)的始終頻率以及PWM定時(shí)器的設(shè)置。可以計(jì)算出PWM波形的頻率。??對應(yīng) 1098.6Hz。通過示波器觀察，可以看到輸出的PWM波形頻率正是 1.098kHz。展開波形，觀察 2000 對應(yīng)的高電平時(shí)間，?根據(jù)PWM 設(shè)置參數(shù)，可以計(jì)算出對應(yīng)的高電平的時(shí)間為 27.78微秒。示波器光標(biāo)測量，對應(yīng)PWM脈沖高電平為 27.85微秒，與參數(shù)計(jì)算結(jié)果相符。下面搭建RC低通濾波電路。

設(shè)置TIM4的 PWM 第二個(gè)通道輸出極性取反，可以看到第二個(gè)通道輸出極性反向了。利用 CCR 寄存器，分別設(shè)置兩個(gè)通道占空比，這里設(shè)置兩個(gè)通道 CCR 都是 0x2000，對應(yīng) 八分之一的占空比。兩個(gè)輸出的PWM一正一反，這是因?yàn)樗鼈兊臉O性一個(gè)高電平，一個(gè)是低電平。

三、RC低通濾波

使用一個(gè)電阻和一個(gè)電容給輸出PWM信號進(jìn)行濾波。電阻為 10k歐姆，電容為 0.1微法。對應(yīng)的時(shí)間常數(shù)為 1ms。經(jīng)過RC濾波之后，信號變成了直流信號 。不過還能夠看到信號還存在著波動。在 八分之一占空比是，使用數(shù)字萬用表的交流檔測量信號中的交流電壓的有效值 102mV。交流分量的大小隨著占空比不同發(fā)生變化。

測試不同占空比下，輸出直流電壓中的交流分量。可以看到在占空比為 50% 時(shí)，輸出信號中的交流分量最大。

▲ 圖1.3.1 PWM占空比對應(yīng)的輸出交流電壓

四、反向補(bǔ)償

為了降低RC濾波中的交流分量，可以利用兩路PWM，它們輸出極性相反。?這樣在第一個(gè)輸出低通濾波的基礎(chǔ)上，?利用RC耦合到第一路輸出，由于它的極性相反，所以可以中和前面輸出信號中的交流分量。

這是沒有補(bǔ)償前，在 占空比50% 時(shí)，RC低通濾波輸出的信號。加上反向補(bǔ)償之后，輸出信號中的交流分量大大降低了。

下面對于補(bǔ)償RC回路中的電阻R2，通過可編程電阻箱進(jìn)行電阻掃描，從 9kΩ，變化到 11kΩ，查看一下當(dāng) R2 變化到多少時(shí)，輸出信號中的電壓達(dá)到最小。通過測量結(jié)果來看，當(dāng)R2 達(dá)到 10kΩ時(shí)，補(bǔ)償信號中的交流信號達(dá)到最小。另外，結(jié)果顯示這個(gè)補(bǔ)償電路無法將輸出信號中的交流完全抵消。

▲ 圖1.4.1 補(bǔ)償電路中R的大小對于交流電壓的影響

??設(shè)置不同的占空比，使用數(shù)字萬用表測量RC濾波后中交流分量的有效值，同樣，可以看到在 50%占空比的時(shí)候，輸出交流分量達(dá)到最大。對比沒有補(bǔ)償和有補(bǔ)償情況下，可以看到經(jīng)過補(bǔ)償之后，信號中的交流分量降低到原來的 14% 左右。

▲ 圖1.4.2 經(jīng)過補(bǔ)償之后，在不同占空比下叔叔信號的交流分量

▲ 圖1.4.3 沒有補(bǔ)償和有補(bǔ)償下不同占空比對應(yīng)的輸出交流信號

※ 總??結(jié) ※

本文通過實(shí)驗(yàn)測試了應(yīng)用互補(bǔ)的兩路PWM輸出，有效抑制RC低通濾波之后直流分量中殘余的交流分量。置于為什么沒有能夠完全消除交流分量，后面還需要進(jìn)行理論分析。不過，能夠?qū)⒔涣鞣至肯?八倍以上，這種利用互補(bǔ)PWM抑制輸出中波動的方法還是非常有效的。那么，是否有可能利用互補(bǔ)的PWM將輸出信號中的交流分量完全消除呢？

參考資料

[1]STM32的IO口到底可以吸收和釋放多大的電流？: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/135919408

[2]STM32的單片機(jī)測試電路板: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/135913547?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22135913547%22%2C%22source%22%3A%22zhuoqingjoking97298%22%7D