使用手持万用表 U1252B 生成脉冲宽度调制波形 - 应用指南

引言

方波是一种适用于许多应用的独特功能，例如脉冲宽度调制 (PWM)。PWM 在测量和数字控制应用中得到广泛使用。它能够通过简单的方法实现数字控制逻辑，以生成模拟等值。目前，大多数微控制器都内置 PWM 功能，用于简化控制实现过程。由于数字信号更稳定并且不易受到噪声的影响，所以 PWM 在通信系统中的使用非常普遍。

本应用指南概括介绍了 PWM，并描述了使用功能丰富的 Keysight U1252B 手持式数字万用表和内置可编程方波发生器创建脉冲宽度调制信号的方法。脉冲宽度调制的概念PWM 是一种模拟信号电平数字编码方法。实现模拟电路的数字化控制可显著降低系统成本和功耗。许多微控制器和数字信号处理器 (DSP) 已包括了 PWM 控制器芯片，因此可以更轻松地实施数字化控制。

频率和占空比

图 1 显示了一个由电池、开关和 LED 组成的电路。该电路使用开关控制 LED 亮一秒，灭一秒。一个周期内，LED 50% 的时间亮 (ON)，50% 的时间灭 (OFF)。周期指完成一次循环 (从灭 (OFF) 到亮 (ON)，再从亮到灭 (OFF) 状态)的总时间。通过占空比可以进一步表征该信号，占空比是“亮 (ON)”时间与周期的比值。高占空比意味着 LED 非常明亮，而低占空比意味着 LED 较为暗淡。图 1 为占空比为 50% 的实例。使用高分辨率计数器调制方波占空比，可以对特定模拟信号电平进行编码。PWM 信号仍旧是数字信号，因为直流电源要么接通，要么断开。通过重复 ON (接通) 和 OFF (断开)脉冲序列，电压源或电流源可以给模拟负载加电。ON (接通) 时，直流电源给负载供电;OFF (断开) 时，直流电源关闭。

在图 2 中，两个不同频率的波形产生了相同的光量。注: 光量与频率无关，与占空比成正比。用于控制电路的频率范围受限于电路响应时长。在图 1 的实例中，低频率可能导致 LED 出现明显闪烁。反之，高频率可能导致电感负载饱和。例如，变压器具有限定的频率范围，以便高效地传输能量。对于有些设计，PWM 频率的谐波 (或差频) 能够耦合到模拟电路中，导致多余噪声。如果频率选择正确，受控制的负载可以作为稳定器使用，使灯能够连续发光，动力可支持转子顺畅旋转。

生成 PWM 信号

将正弦波作为输入信号之一，使用比较器能够轻松生成 PWM 信号。图 3 显示了模拟 PWM 发生器的方框图实例。图 4v显示了比较器使用两个输入信号所生成的 PWM 输出波形 (红线): 正弦波 (黑线) 和输入信号 (灰线)。0.5 VDC 输入信号是电压基准，通过与正弦波比较生成PWM 波形。使用 0.5 VDC 稳态基准电压，可生成 50% 占空比的 PWM 波形。如图 5 所示，如果基准电压降至 0.25 VDC，那么将生成更高占空比的 PWM 波形。

使用 U1252B 手持式数字万用表生成 PWM 信号

您可以使用 U1252B 手持式数字万用表生成各种 PWM 信号。U1252B 手持式数字万用表不仅仅是一款测量工具，而且还可以改进您的应用设计。U1252B 具有方波功能，可生成 PWM 输出，并在 0.39% 至 99.60% 范围内调整占空比。将旋转开关转动到方波输出功能 位置。默认设置为 600 Hz (在次显示位置显示) 和 50% 占空比 (在主显示位置显示)。可选的频率范围为 0.5 Hz 至 4800 Hz，幅度范围为 0 至 2.8 V。通过改变占空比，U1252B 手持式数字万用表可生成静态 PWM 波形。

生成 PWM 信号

将正弦波作为输入信号之一，使用比较器能够轻松生成 PWM 信号。图 3 显示了模拟 PWM 发生器的方框图实例。图 4v显示了比较器使用两个输入信号所生成的 PWM 输出波形 (红线): 正弦波 (黑线) 和输入信号 (灰线)。0.5 VDC 输入信号是电压基准，通过与正弦波比较生成 WM 波形。使用 0.5 VDC 稳态基准电压，可生成 50% 占空比的 PWM 波形。如图 5 所示，如果基准电压降至 0.25 VDC，那么将生成更高占空比的 PWM 波形。

使用 U1252B 手持式数字万用表生成 PWM 信号

您可以使用 U1252B 手持式数字万用表生成各种 PWM 信号。U1252B 手持式数字万用表不仅仅是一款测量工具，而且还可以改进您的应用设计。U1252B 具有方波功能，可生成 PWM 输出，并在 0.39% 至 99.60% 范围内调整占空比。将旋转开关转动到方波输出功能 位置。默认设置为 600 Hz (在次显示位置显示) 和 50% 占空比 (在主显示位置显示)。可选的频率范围为 0.5 Hz 至 4800 Hz，幅度范围为 0 至 2.8 V。通过改变占空比，U1252B 手持式数字万用表可生成静态 PWM 波形。

PWM 应用的优势

PWM 相比模拟控制具有多项优势。例如，使用 PWM 控制灯的亮度，灯散发的热量将低于模拟控制 (因为模拟控制会将电流转换为热量)，因此传送到负载 (光) 的功率较低，这可以延长负载的生命周期。如果使用较高的频率，则能够像模拟控制一样顺畅地控制光 (负载) 亮度。如果使用 PWM 控制转子，则转子能够以较低的速度运转。在使用模拟电流控制转子时，低转速情况下无法生成足够的扭矩。微小电流生成的电磁场不足以转动转子。

相比之下，PWM 电流能够生成一个满能量的磁通短脉冲，足以支持转子低速转动。将接通 (ON)/断开 (OFF) (1/0) 状态与不同的电压和占空比结合，PWM 能够输出预定的电压电平，并能够为许多应用充当稳压器。如果需要的电压电平高于输出电压电平，则选用接通 (ON) (1)状态; 而如果需要的电压电平低于输出电压电平，则选用断开 (OFF) (0) 状态。例如，当使用复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 进行简单的电压调整，或现场可编程门阵列 (FPGA) 使用内部数字信号处理 (DSP) 模块实施复杂控制算法时，可以应用 PWM。此外，使用 PWM 可以实现整个控制电路的数字化，从而避免在控制电路中使用数模转换器。PWM 生成的数字控制线可降低电路对干扰的灵敏度。随着 PWM 控制器在各种低成本微处理器中的部署持续增加，PWM 的使用也已经变得随处可见。微处理器可以使用简单的命令来改变 PWM 控制信号的占空比和频率。由于数字信号受噪声的影响极小，PWM 在通信领域也得到了广泛应用。

下载本应用指南，了解脉冲宽度调制基本概念以及如何使用功能丰富的 Keysight U1252B 手持万用表和内置可编程方波发生器创建脉冲宽度调制信号的方法。