龍 軍，關(guān) 威，汪旭東，陳 君

(北京控制工程研究所，北京100094)

基于脈寬調(diào)制的傳感器讀取電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

龍 軍*，關(guān) 威，汪旭東，陳 君

(北京控制工程研究所，北京100094)

設(shè)計了一種新型的傳感器信號讀取電路，該電路將傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)電路進(jìn)行改進(jìn)，對PWM信號采用占空比和頻率同時調(diào)制而不是單一的占空比調(diào)制，在信號傳輸過程中，該電路可將兩路電壓輸入信號調(diào)制到一路PWM信號上，通過對輸出PWM信號進(jìn)行解調(diào)可還原兩路輸入信號的電壓值。實(shí)驗結(jié)果表明，該電路輸出PWM信號占空比和頻率分別與兩路輸入電壓信號呈良好的線性關(guān)系，電壓轉(zhuǎn)換精度分別達(dá)到0.34%、0.26%。此外，該電路具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合傳感器信號的調(diào)理和讀取。

脈寬調(diào)制;傳感器;信號讀取;測量;電路設(shè)計

脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)的思想起源于通信技術(shù)，后來在逆變電路中的成功應(yīng)用確定了其在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的重要地位［1－2］。PWM技術(shù)以其對波形調(diào)制的靈活性和通用性得到了廣泛的應(yīng)用［3］，成為電力變換器控制的基礎(chǔ)。PWM信號在傳輸過程中是數(shù)字形式，無需進(jìn)行數(shù)模A/D(Analog to Digital)轉(zhuǎn)換。同時，數(shù)字形式的傳輸方式還可以減小噪聲的影響，相對于模擬的方式，PWM具有更高的噪聲容限，從而可以極大地延長通信距離。

由于PWM技術(shù)具有上述優(yōu)勢，使得它在自動化、傳感器和測量領(lǐng)域也有大量的應(yīng)用［4－8］。文獻(xiàn)［9］中通過脈寬調(diào)制電路將傳感器電容的變化轉(zhuǎn)化為占空比變化的脈沖信號進(jìn)行傳輸［9］，文獻(xiàn)［10］中使用的振動傳感器采用PWM信號作為輸出方式［10］。由于PWM轉(zhuǎn)換電路可將模擬信號調(diào)制成數(shù)字信號進(jìn)行傳輸，可直接送入數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理，同時，PWM信號經(jīng)過低通濾波后可以還原模擬信號，所以，PWM電路在傳感器測量系統(tǒng)中可作為A/D和D/A轉(zhuǎn)換器使用［11－12］，非常適合于對轉(zhuǎn)換精度需求高、低成本和抗干擾能力強(qiáng)的應(yīng)用場合。

在某些特殊的測量場合，有時候需要同時傳輸兩路傳感器信號，而且兩路信號之間需要具有一定的時間同步性，例如，壓力傳感器溫度補(bǔ)償中需要同時傳輸壓力和溫度信號，溫度信號用來校正壓力輸出值以獲得更準(zhǔn)確的壓力測量信息。再如，在高精度流量測量過程中，流量測量系統(tǒng)需要同時獲得與流量信息相關(guān)的量，比如測量過程中需要壓力信息。通常情況下，上述兩種信號的采集一般會采用兩路單獨(dú)的信號調(diào)理電路進(jìn)行處理和傳輸，電路實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜，信號通道占用多，成本較高。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于PWM原理的電路，該電路對傳統(tǒng)的PWM電路進(jìn)行改進(jìn)，將PWM信號由原來的單一占空比調(diào)制改進(jìn)成占空比和頻率同時調(diào)制，這樣便可同時傳輸兩路信號。該電路具有很好的線性度和精度，不僅可替代傳統(tǒng)傳感器測量方案中所需的A/D轉(zhuǎn)換器，還能節(jié)省信號傳輸通道數(shù)量，降低成本。

1 PWM電路原理

PWM信號是周期固定，占空比變化的數(shù)字信號。通常情況下，用硬件的方式實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出，可以使用三角波與經(jīng)處理的輸入信號進(jìn)行比較來得到PWM調(diào)制信號，對PWM調(diào)制信號占空比的測量可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的過程。因此，采用PWM方式可以降低電路的復(fù)雜程度，還能增強(qiáng)信號在傳輸過程中的抗干擾能力，圖1即為三角波與輸入調(diào)制信號比較得到的PWM調(diào)制信號的原理示意圖。

圖1 生成PWM波形的示意圖

圖1中比較器的正端為被調(diào)制信號，負(fù)端為固定頻率的三角波信號。PWM信號單周期的高電平時間與脈沖周期的比之叫做占空比，通常表示為百分?jǐn)?shù)。圖1中比較器輸出端即為PWM信號，該信號的占空比與被調(diào)制信號的電壓幅值具有對應(yīng)關(guān)系。

圖2說明了PWM信號產(chǎn)生的過程，當(dāng)被調(diào)制信號VM的幅值大于三角波信號時，輸出高電平。反之，輸出低電平。

圖2 PWM電路波形生成說明

輸出PWM信號的占空比隨著被調(diào)制信號VM的改變而改變，占空比δ可由下式計算

由上述過程可知，通過比較器將被測信號及調(diào)制信號與三角波信號進(jìn)行比較，得到調(diào)制后的PWM信號。由式(1)可以看出PWM信號的占空比與被測信號的大小成線性關(guān)系。因此，采用PWM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一種基于時間測量的A/D轉(zhuǎn)換方法。

2 信號讀取電路設(shè)計

上述是傳統(tǒng)的PWM信號產(chǎn)生原理，傳統(tǒng)的PWM信號通常具有固定頻率，其占空比隨被調(diào)制信號變化而改變。如果將傳統(tǒng)的PWM信號產(chǎn)生電路進(jìn)行改進(jìn)，即除了占空比調(diào)制之外，如果原來固定的頻率信號可以隨輸入信號變化，即頻率調(diào)制，則PWM信號可以同時傳輸兩種信號。

圖3為本文提出的具備占空比和頻率調(diào)制功能的傳感器信號讀取電路。A1、A2為運(yùn)算放大器，A3、A4為比較器，U1、U2為反相器、SW1～SW4為模擬開關(guān)。A2、A3、A4、電阻 R6～R8、電容 Ct組成典型的PWM電路，其中A2和A3以及R6、R7、R8和Ct組成三角波發(fā)生器，產(chǎn)生等腰三角波。

圖3 新型傳感器信號讀取電路

本文在傳統(tǒng)的PWM電路基礎(chǔ)上增加了反相器U1、U2、模擬開關(guān)SW1～SW4、運(yùn)算放大器A1和R1～R5用于調(diào)節(jié)三角波發(fā)生器的頻率，模擬開關(guān)由反相器控制切換，經(jīng)過放大器A1進(jìn)行電壓變換后以實(shí)現(xiàn)輸入電壓信號Vi2的頻率調(diào)制。比較器A4正輸入端為被調(diào)制的電壓信號Vi1，與A2輸出端的三角波相比較后輸出PWM波形，輸出信號的占空比僅與Vi1有關(guān)。

圖3所示電路的工作原理為:當(dāng)A3的輸出端為高電平的時候，U1輸出端為低電平，而U2輸出端為高電平時，由于U1和U2的輸出端控制模擬開關(guān)SW1～SW4，所以SW1、SW3斷開，SW2、SW4閉合，電路的簡化結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，此時，A2組成的積分電路為充電過程。同樣的，當(dāng)A3的輸出端為低電平的時候，A2組成的積分電路為放電過程，如圖4(b)所示。如此反復(fù)，在放大器A2的輸出端產(chǎn)生等腰三角波，三角波振幅由式(2)確定

式中:取R6=9.9 kΩ，R7=10 kΩ，則三角波的電壓范圍為(0.025 V～4.975 V)，即 VH=0.025 V，VL= 4.975 V。

圖4 信號讀取電路充放電過程的不同電路結(jié)構(gòu)

由式(1)可知，PWM信號的占空比表達(dá)式為

式中:Vi1為第1路輸入信號。由上式可知，Vi1與輸出信號占空比為線性關(guān)系。

通過圖4可以推導(dǎo)出信號的調(diào)制頻率表達(dá)式為式中:Vi2為第2路輸入信號，Ct為積分電容。輸出信號的頻率由式(4)確定，由上式可以看出，Vi2與輸出頻率之間是線性關(guān)系。

電路設(shè)計中，R1～R4均為10 kΩ，R5=9.23 kΩ，R8=102 kΩ，積分電容Ct=270 pF。Vi1用于調(diào)節(jié)輸出信號的占空比，輸入電壓Vi1的范圍為(0.5 V～4.5 V)，對應(yīng)占空比調(diào)制范圍約在10%～90%范圍內(nèi)。同時，考慮電路的響應(yīng)速度，設(shè)計的輸出信號頻率調(diào)制范圍大約在30 kHz～90 kHz，對應(yīng)Vi2電壓范圍(0.5 V～2.0 V)。

3 實(shí)驗測試及驗證

為了驗證所設(shè)計的傳感器信號讀取電路的性能，對電路進(jìn)行了輸入輸出特性的測試實(shí)驗，實(shí)驗中第1路輸入信號Vi1在(0.5 V～4.5 V)范圍內(nèi)每隔0.5 V設(shè)定一個電壓測試點(diǎn);第2路輸入信號Vi2在(0.5 V～2 V)范圍內(nèi)每隔0.5 V設(shè)定一個電壓測試點(diǎn)。實(shí)驗過程如下:①第2路輸入信號Vi2固定值在第1個設(shè)定電壓，第1路輸入信號Vi1依次按設(shè)定點(diǎn)電壓輸入;②采用示波器抓捕輸出信號波形，讀取信號周期和高電平時間值，計算不同輸入情況下，輸出信號的頻率和占空比;③第2路輸入信號Vi2固定值在第2個設(shè)定電壓，第1路輸入信號Vi1依次按設(shè)定點(diǎn)電壓輸入;④重復(fù)上述過程，依次設(shè)定第2路輸入信號Vi2的設(shè)定值，并調(diào)節(jié)第1路輸入信號Vi1輸入電壓，直到所有測試電壓均被測試完成。

實(shí)驗中對輸出信號的頻率和占空比進(jìn)行測量的結(jié)果如表1～表4所示。表中可以看出，電路的輸出信號占空比由Vi1決定，輸出信號的頻率由Vi2決定。

表1 Vi2=2.0 V時輸出信號測量結(jié)果

表2 Vi2=1.5 V時輸出信號測量結(jié)果

表3 Vi2=1.0 V時輸出信號測量結(jié)果

表4 Vi2=0.5 V時輸出信號測量結(jié)果

圖5和圖6分別顯示了輸出信號的占空比、頻率與輸入電壓Vi1、Vi2之間的關(guān)系和表達(dá)式。輸入電壓Vi1與占空比δ之間的線性關(guān)系表達(dá)式為

輸入電壓Vi1與占空比δ之間的線性關(guān)系表達(dá)式為

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計算表明，該電路對輸入信號Vi1、Vi2的轉(zhuǎn)換誤差分別為0.34%、0.26%?？梢詽M足大部分信號測量和傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖5 輸出信號占空比與輸入電壓Vi2的關(guān)系

圖6 輸出信號頻率與輸入電壓Vi2的關(guān)系

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型的傳感器信號讀取電路，通過對傳統(tǒng)的PWM電路進(jìn)行改進(jìn)，將原有的PWM信號的占空比調(diào)制擴(kuò)展為頻率和占空比同時調(diào)制，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了兩路電壓輸入信號調(diào)制到單路PWM信號的信號讀取電路。針對該電路進(jìn)行了試驗驗證，實(shí)驗結(jié)果表明，該電路對輸入信號Vi1、Vi2的轉(zhuǎn)換誤差分別為0.34%、0.26%，可滿足工程中信號變換和測量的需求。該電路不僅可替代傳統(tǒng)傳感器測量方案中所需的A/D轉(zhuǎn)換器，還能節(jié)省信號傳輸通道數(shù)量，降低成本。此外，該電路具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合傳感器信號的調(diào)理和讀取。

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龍 軍(1985－)，男，湖北荊門人，2013年獲浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為北京控制工程研究所高級工程師，主要從事傳感器信號處理及高精度測量電路研究，longjun20811307@ gmail.com。

Design and Implementation of a PWM Based Sensor Readout Circuit*

LONG Jun*，GUAN Wei，WANG Xudong，CHEN Jun
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100094，China)

A novel sensor readout circuit is developed by improving the traditional PWM(Pulse Width Modulation) circuit.In the novel circuit，duty cycle and frequency synchronous modulation are adopted instead of duty cycle modulation.In the process of signal transmission，two input voltage signals can be modulated onto a PWM signal.The voltages of two input signals can be retrieved by demodulating the PWM output.Experimental results show that the PWM duty cycle and frequency of the proposed circuit have good linear relationship with the two input voltage signals，respectively.And the signal conversion accuracy reaches to 0.34%and 0.26%，respectively.In addition，the proposed circuit has advantages of a strong anti-interference ability，high conversion accuracy and low cost，which is more suitable for sensor signal processing and pickup.

pulse width modulation;sensor;signal readout;measurement;circuit design

TP212

A

1004－1699(2017)02－0184－05

C:7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2017.02.003

項目來源:十二五民用航天項目(E020415)

2016－06－29 修改日期:2016－09－17