CN106688181A - 用于产生具有可调节的占空比的信号的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生具有可调节的占空比的信号、尤其是脉冲宽度调制信号的设备和方法。为此，可以改变脉冲宽度调制信号的周期持续时间。因此，可以在使用具有固定地预给定的时钟频率的简单的计数器的情况下无大的电路耗费地使脉冲宽度调制信号的占空比非常准确地匹配于所希望的占空比。

Description

用于产生具有可调节的占空比的信号的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于产生具有可调节的占空比的信号的设备和方法、以及一种脉冲宽度调制设备和一种电压转换器。

背景技术

脉冲宽度调制（PWM，英语：pulse width modulation）是非常流行的技术。脉冲宽度调制应用在许多应用领域中，例如在功率电子设备的控制领域中或者用于电流转换或者电压转换。此外，还存在众多其他的应用领域。

PWM-信号通常是具有恒定的周期持续时间的矩形信号。在所述周期持续时间期间，该信号可以在第一时间段内具有第一状态并且在周期持续时间的剩余时间段中具有第二状态。在其中信号具有第一状态或者第二状态的时间段的比例在此称作占空比（英语：duty cycle）。

为了数字地产生PWM-信号，对此例如可以使用计数器，所述计数器以预给定的时钟频率周期性地从零直至预先确定的最大值地计数。如果达到了最大值，则计数器被复位并且在零处重新开始。因此，时钟频率结合计数器的最大值确定待生成的PWM-信号的周期持续时间。可以通过这种方式调节的占空比的分辨率在此通过计数器的时钟频率来确定。

欧洲专利申请EP 1 653 618 A2公开了一种具有占空比的提高了的分辨率的PWM-发生器。对此提出一种附加的发生器，所述发生器以以下周期持续时间进行脉冲，所述周期持续时间相应于最大的PWM-周期持续时间的一小部分。

因此存在对具有精确可调节的占空比的信号的简单且高效的产生的需求。

发明内容

对此，本发明根据第一方面实现了一种用于产生具有可调节的占空比的信号的设备。所述设备包括：计数器，所述计数器被设计用于以预先确定的时钟频率从预给定的起始值计数直至最大计数值；输出设备，所述输出设备被设计用于当所述计数器的值小于或者等于转换值时输出第一信号值，当所述计数器的值大于所述转换值时输出第二信号值。所述设备还包括控制设备，所述控制设备被设计用于基于所述最大计数值的预先确定的基础值、为待调节的占空比的额定值确定暂时转换值，计算暂时占空比，所述暂时占空比由暂时转换值和所述最大计数值的基础值得出，确定所计算的暂时占空比与待调节的占空比的额定值的偏差，并在使用所确定的偏差的情况下提高或者降低所述最大计数值的预先确定的基础值，以便获得所述最大计数值。

根据另一方面，本发明实现了一种用于产生具有可调节的占空比的信号的方法。所述方法包括以下步骤：接收待调节的占空比的额定值；基于最大计数值的预先确定的基础值为所接收的所述待调节的占空比的额定值确定暂时转换值；计算暂时占空比，所述暂时占空比由暂时转换值和所述最大计数值的预先确定的基础值得出；确定所计算的暂时占空比与所接收的所述待调节的占空比的额定值的偏差；通过在使用所确定的偏差的情况下提高或者降低所述最大计数值的预先确定的基础值来确定最大计数值；以预给定的起始值启动计数器并且以预先确定的时钟频率使所述计数器向上计数；当所述计数器的值小于或者等于所述转换值时输出第一信号值；并且当所述计数器的值大于所述转换值时输出第二信号值。

根据另一方面，本发明实现一种脉冲宽度调制设备，所述脉冲宽度调制设备具有根据本发明的用于产生具有可调节的占空比的信号的设备。

又根据另一方面，本发明实现了一种电压转换器，所述电压转换器具有根据本发明的脉冲宽度调制设备。

本发明的优点

本发明所基于的认识是，在借助计数器产生PWM-信号时，PWM-信号的占空比的分辨率受计数器的时钟频率和最大计数值限制。因此，本发明基于以下思想：通过在产生PWM-信号时匹配最大计数值来改变待调节的占空比的周期持续时间。计数器的时钟频率在此可以保持恒定。

通过改变所述最大值——计数器分别计数直至该最大值，在恒定的时钟频率的情况下，所输出的信号的周期持续时间因此也改变。根据计数器的所述最大计数值，因此对于每个计数值得出不同的可调节的占空比。通过选择合适的最大计数值，可以由该方式为所希望的占空比确定转换值，在所述转换值时PWM-信号从一种信号状态变化到另一种信号状态，该另一种信号状态很好地与实际上希望的占空比一致。因此，即使在相对缓慢地进行脉冲的计数器的情况下也能够非常精确地调节PWM-信号，而对此不需要其他耗费的电路措施来匹配占空比。

根据一种实施方式，所述控制设备在使用所述暂时转换值和所计算的暂时占空比与待调节的占空比的额定值的所确定的偏差的情况下匹配所述转换值。

根据另一种实施方式，所述控制设备包括存储器。所述存储器被设计用于提供用于提高或者降低所述最大计数值的基础值的和/或用于匹配所述转换值的参数。例如，在存储器中提供的参数可以以表格（Lookup-Table：查找表，LUT）的形式提供。所提供的参数例如可以是用于最大计数值或者转换值的数值，所述数值可以分别用于待调节的占空比。替代地，所提供的参数也可以是校正值，所述校正值可以用于根据待调节的占空比来匹配用于最大计数值和/或转换值的预给定的基础设定。通过使用事先已经在存储器中保存的参数，可以特别快速地并且无耗费的计算步骤地实现参数与待调节的占空比的匹配。

根据另一种实施方式，所述控制设备包括计算设备，所述计算设备被设计用于计算用于提高或者降低所述最大计数值的基础值的和/或用于匹配所述转换值的值。如果对于最大计数值的或者转换值的计算有充足的资源可供使用，则可以通过合适的计算方法确定这些值的匹配。这能够实现待调节的值的特别灵活的匹配。

根据一种实施方式，所述用于产生信号的方法还包括当所述计数器的值已经超出所述最大值时将所述计数器复位到所述预给定的起始值上。通过这种方式可以输出周期性的PWM-信号。

根据另一种实施方式，用于确定所述最大计数值的步骤在预先确定的值范围内确定所述计数值。

又根据另一种实施方式，用于确定所述最大计数值的步骤在使用预先确定的公式的情况下确定用于提高或者降低所述基础值的值。

本发明的其他实施方式和优点由以下参考附图的描述得出。

附图说明

在此：

图1示出根据一种实施方式的用于产生信号的设备的示意图；

图2在时间上示出计数值的变化曲线的示意图和所输出的信号，如一种实施方式所基于的那样；

图3示出根据一种实施方式的电压转换器的示意图；和

图4示出如根据一种实施方式的用于产生信号的方法所基于的流程图的示意图。

具体实施方式

图1示出用于产生具有可调节的占空比的信号的设备1的示意图。设备1包括控制设备11、计数器12和输出设备13。在此待调节的占空比的额定值10可以提供给控制设备11。额定值10在此不仅可以作为模拟信号而且可以作为数字信号提供给控制设备11。例如，控制设备11可以与通信总线耦合，通过该通信总线将额定值10作为数字的预给定传输到控制设备11上。

基于预给定的用于控制设备11所接收到的占空比的额定值10，控制设备11然后确定合适的最大计数值n_max以及转换值u。最大计数值n_max在此尤其可以如下确定，使得在整数地向上计数直至最大计数值n_max的情况下产生步宽，该步宽在达到转换值u的情况下产生一种占空比，该占空比尽可能准确地与待调节的占空比一致。还进一步在下面详细阐述在使用所接收的占空比信号的情况下确定最大计数值n_max和转换值u。

计数器12被设计用于周期性地以整数从预给定的起始值直至由控制设备11确定的最大计数值n_max地计数。通常，预给定的起始值在此将是零。计数器12在此包括时钟发生器14。该时钟发生器14为计数器12提供周期性信号。基于计数器14的该周期性信号，计数器12连续地以整数提高其计数值，直至该计数值达到由控制设备11预给定的最大计数值n_max。

接着，计数器12被复位到起始值上并且重新开始向上计数。替代地，原则上也可以的是，从最大计数值n_max向下计数直至起始值并且接着将计数器12复位到最大计数值n_max上。优选地，时钟发生器14的信号的频率是恒定的，也即时钟发生器14的信号的频率尤其与待调节的占空比无关。

由控制设备11确定的转换值以及计数器12的当前值被提供给输出设备13。该输出设备13包括比较设备（17），所述比较设备将计数器的当前值n与由控制设备11确定的转换值u进行比较。只要计数器12的值n小于或者等于转换值u，则输出设备11输出第一信号值。例如，所述第一信号值可以是逻辑“1”（逻辑高）。与此相反，如果计数器12的值n超出由控制设备11预给定的转换值u，则输出设备13输出第二信号值，例如逻辑“0”（逻辑低）。替代地，只要计数器12的值n小于预给定的转换值u，显然也可以输出逻辑高，并且如果计数器12的值n超过转换值u，则输出逻辑低。

图2示出计数器12的计数值n的变化曲线的示意图和通过输出设备13所输出的信号。在上部图示中，在时间t上示出计数器12的值n。计数器12的值在此从起始值（在此0）提高直至最大计数值n_max。如果达到了最大计数值n_max，则计数器12复位到起始值上并且重新开始向上计数。

在此之下示出通过输出设备13输出的信号值。在起始值和转换值u之间通过输出设备13输出第一信号值，在此“1”。而在转换值u和最大计数值n_max之间输出替代的信号值，在此“0”。

如果对于最大计数值n_max总是使用相同的预先确定的基础值，则在恒定的、同样固定地预先确定的用于计数器12的时钟频率的情况下产生分辨率的固定的步宽，借助所述分辨率可以调节占空比。该固定的步宽视所希望的占空比而定地导致实际上产生的占空比与所希望的占空比之间的偏差。

如果计数器12例如以10步计数，则可以以0.1-步的分辨率调节占空比。然而，如果所希望的占空比例如是0.55，则在可实现的为0.5的实际占空比和所希望的为0.55的占空比之间产生步宽的50%的偏差。

通过改变步数，也即通过匹配最大计数值n_max，可以最小化该偏差。如果例如最大计数值的基础值提高1，则计数器12然后以11步计数。此外，如果转换值u还同样提高1，则作为实际的占空比得出6:11=0.545%。所述新的占空比显然更接近所希望的占空比。

如该示例所示，可以通过改变、尤其提高或者降低最大计数值n_max来使实际上可实现的占空比相比于在计数器12中始终使用相同的、固定地预先确定的最大计数值的情况更好地匹配于所希望的占空比。在此，基于计数器12的保持不变的时钟频率，最大计数值n_max的改变也伴随着所输出的脉冲宽度调制信号的周期持续时间的改变。

相应地，通过图1中的设备1生成的PWM-信号的精度可以通过改变周期持续时间来提高。在控制设备11接收到待调节的占空比的额定值10之后，控制设备11然后首先确定暂时的转换值。该暂时的转换值相应于当计数器以最大计数值的预先确定的基础值运行时将得出的转换值。最大计数值的这样的预先确定的基础值例如可以固定地存储在控制设备11中。然后，控制设备11可以计算暂时的占空比，所述暂时的占空比在借助之前确定的暂时的转换值和最大计数值的固定地预给定的基础值来产生PWM-信号的情况下得出。由如此计算的暂时占空比接着可以确定该暂时占空比和待调节的占空比的所希望的额定值10之间的偏差。

基于所述确定的参数、尤其暂时的转换值，基于暂时占空比与额定值10之间的偏差以及最大计数值的基础值，可以匹配最大计数值n_max并必要时也匹配转换值u，以便提高待输出的PWM-信号的精度。

为此，控制设备11例如可以包括存储器16，在所述存储器中存储用于提高或者降低最大计数值的基础值和/或暂时的转换值的合适的校正值。例如可以将这些参数存储在表格中，该表格对于每个可能的暂时的转换值包括一个列并且对于多个可能的在暂时占空比与该占空比的额定值之间的偏差分别包括一个行。在表格的相应单元中，于是可以存储用于匹配最大计数值和/或暂时的转换值的参数。

替代地，也能够实现用于提高或者降低最大计数值的基础值和/或暂时的转换值的校正值的单独计算。接着，对此描述了用于匹配最大计数值或者转换值的可能的计算基础。

在此，以下公式符号适用：

D：0与1之间的暂时的占空比（相应于0%...100%）；

R：暂时的占空比与额定值之间的关于步宽的相对偏差（0...1之间的值范围，相应于0%...100%）；

KP：最大计数值的校正值；

KD：转换值的校正值；和

[x]：对值x取整。

首先判断，待调节的占空比是大于还是小于0.5（50%）。对于占空比恰恰为0.5的情况，可以使用两种方案。

如果占空比小于（或者等于）0.5，则可以使用以下计算规则：

转换值u的校正值KD始终是0（KD=0），也即该转换值u始终相应于暂时的转换值。

得出最大计数值的校正值KP为：KP=-[R/D]。

因此，从最大计数值的基础值上减去暂时的占空比与该占空比的额定值之间的偏差R与暂时的占空比D的经取整的商。

如果例如应在最大计数值为10的基础值的情况下调节0.45（45%）的占空比，则得出以下计算：

借助基础值10可以以0.1-步调节占空比。因此，得出暂时的转换值为4和暂时的占空比为0.4。暂时占空比与占空比的额定值之间的相对偏差是0.1步的50%（0.5）。

因此，最大计数值的校正值为：

KP=-[0.5/0.4]=-[1.25]=-1。

因此，使基础值10降低1，使得最大计数值n_max为9。因为转换值4保持不变，所以在校正之后得出占空比为4:9=0.44（44%），该占空比明显更接近额定值。

如果占空比大于（等于）0.5，则不仅匹配暂时的转换值而且匹配最大计数值。在此，将相同的校正值添加至暂时的转换值和最大计数值的基础值：

KD=KP=[R/[(l-D)]

因此将暂时占空比和额定值之间的偏差R除以1减去暂时的周期持续时间D的经取整的商不仅添加至暂时的转换值，而且添加至最大计数值的基础值。

如果例如在最大计数值的基础值为10的情况下应调节0.68（68%）的占空比，则首先对于暂时的转换值得出值6。暂时占空比与所希望的额定值之间的偏差在此是0.8（80%）。因此校正值计算如下：

KD=KP=[0.8/(1-0.6)]=[0.8/0.4]=2。

因此，得出最大计数值n_max为10+2=12，并且得出转换值u为6+2=8。由此得出实际的占空比为8:12≈0.67（67%）。

为了通过控制设备11确定最大计数值n_max，可以优选在预先确定的值范围内确定最大计数值n_max。由最大计数值n_max的所述预先确定的值范围，相应于计数器12中的时钟发生器14的时钟频率地，也得出通过输出设备13输出的信号的周期持续时间的相应范围。小的最大计数值在此导致短的周期持续时间，而大的最大计数值导致较长的周期持续时间。通过将最大计数值n_max限制到预先确定的值范围上，因此也可以将所输出的信号的周期持续时间限制到预先确定的范围上。

图3示出用于将通过电压源21提供的电压U1转换成另一电压U2的电压转换器2的示意图。例如，在电压转换器2上作为输入电压U1可以提供第一直流电压，所述第一直流电压借助DC/DC转换器转换成另一电压高度的直流电压U2。为了控制电压转换器2，在电压转换器2中提供PWM-信号，该PWM-信号由用于产生具有可调节的占空比的信号的设备1生成。例如，该信号可以由脉冲宽度调制设备借助用于产生具有可调节的占空比的信号的设备1来产生。在输出连接端22上提供的电压U2可以在此根据PWM-信号的所调节的占空比来匹配或者调节。

此外，用于产生具有可调节的占空比的信号的设备1也可以用于以下任意的其他应用，在所述其他应用中需要具有可调节的占空比的脉冲宽度调制信号。这样的PWM-信号的应用在此在以下所有应用中是可能的，在所述应用中可以在可接受的公差内改变PWM-信号的周期持续时间。尤其可以将这样产生的PWM-信号用于功率电子应用，诸如电驱动系统、电压转换器或者类似的。

图4示出如一种用于产生具有可调节的占空比的信号的方法所基于的流程图的示意图。在步骤S1中首先接收待调节的占空比的额定值10。接着在步骤S2中，基于最大计数值的预先确定的基础值为所接收的用于所述待调节的占空比的额定值10确定暂时转换值。在步骤S3中，计算暂时占空比，所述暂时占空比由暂时转换值和所述最大计数值的预先确定的基础值得出。

接着，在步骤S4中，可以确定所计算的暂时占空比与所接收的用于待调节的占空比的额定值的偏差。在使用所确定的偏差的情况下然后可以在步骤S5中确定最大计数值n_max。该最大计数值n_max通过提高或降低最大计数值的预先确定的基础值来得出。如果必要，也还可以匹配暂时的转换值。如果不需要暂时的转换值的匹配，则将该暂时的转换值接受为（最终的）转换值u。

为了产生输出信号，接着在步骤S6中计数器12以预给定的起始值初始化并且计数器12的向上计数以预先确定的时钟频率开始。只要计数器12的值n小于或者等于转换值u，就在步骤S7中输出第一信号值。如果计数器12的值n超出转换值u，则在步骤S8中输出第二信号值。

如果计数器12的值达到最大计数值n_max，则在步骤S9中将计数器12复位到预给定的起始值上。接着，计数器12在该起始值处开始重新向上计数。替代地，计数器也可以从最大计数值n_max往回计数直至起始值。在这种情况下，在达到起始值时，计数器被复位到最大计数值上。在又一种替代的实施方式中，计数器也可以交替地从起始值向上计数直至最大计数值n_max并且在达到最大计数值n_max时往回计数直至起始值。在达到起始值时，计数器然后接着又开始向上计数。

为了限制如此产生的信号的最小的或最大的周期持续时间，可以将最大计数值n_max限制到在预先确定的值范围内的值上。

用于提高或者降低最大计数值的基础值和必要时暂时的转换值的值，尤其可以基于事先已经确定的值来实现。替代地，也可以如先前描述的那样分别重新计算所述值。

总而言之，本发明涉及脉冲宽度调制信号的占空比的调节。为此可以改变脉冲宽度调制信号的周期持续时间。因此，在使用具有固定地预给定的时钟频率的简单的计数器的情况下可以无大的电路耗费地使脉冲宽度调制信号的占空比非常准确地匹配于所希望的占空比。

Claims (10)

1.用于产生具有可调节的占空比的信号的设备（1），所述设备具有：

计数器（12），所述计数器被设计用于以预先确定的时钟频率从预给定的起始值计数直至最大计数值（n_max），

输出设备（13），所述输出设备被设计用于当所述计数器（12）的值（n）小于或者等于转换值（u）时输出第一信号值，并且当所述计数器（12）的值（n）大于所述转换值（u）时输出第二信号值；和

控制设备（11），所述控制设备被设计用于，

基于所述最大计数值的预先确定的基础值为待调节的占空比的额定值（10）确定暂时转换值；

计算暂时占空比，所述暂时占空比由所述暂时转换值和所述最大计数值的基础值得出，

确定所计算的暂时占空比与待调节的占空比的额定值（10）的偏差，并且

在使用所确定的偏差的情况下提高或者降低所述最大计数值的预先确定的基础值，以便获得所述最大计数值（n_max）。

2.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述控制设备（11）在使用所述暂时转换值和所计算的暂时占空比与待调节的占空比的额定值（10）的所确定的偏差的情况下匹配所述转换值（u）。

3.根据权利要求1或2所述的设备（1），其中，所述控制设备（12）还包括存储器（15），所述存储器被设计用于提供用于提高或者降低所述最大计数值的基础值的和/或提供用于匹配所述转换值（u）的参数。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备（1），其中，所述控制设备（11）包括计算设备（16），所述计算设备被设计用于计算用于提高或者降低所述最大计数值的基础值的和/或计算用于匹配所述转换值（u）的值。

5.一种脉冲宽度调制设备，所述脉冲宽度调制设备具有根据权利要求1至4中任一项所述的用于产生信号的设备（1）。

6.一种电压转换器（2），所述电压转换器具有根据权利要求1至4中任一项所述的用于产生信号的设备（1）。

7.用于产生具有可调节的占空比的信号的方法，所述方法具有以下步骤：

接收（S1）待调节的占空比的额定值；

基于最大计数值的预先确定的基础值，为所述待调节的占空比的所接收的额定值确定（S2）暂时转换值；

计算（S3）暂时占空比，所述暂时占空比由所述暂时转换值和所述最大计数值的预先确定的基础值得出；

确定（S4）所计算的暂时占空比与所接收的用于待调节的占空比的额定值的偏差；

通过在使用所确定的偏差的情况下提高或者降低所述最大计数值的预先确定的基础值来确定（S5）最大计数值（n_max）；

以预给定的起始值启动（S6）计数器（12）并且以预先确定的时钟频率使所述计数器（12）向上计数；

当所述计数器（12）的值（n）小于或者等于所述转换值（u）时输出（S7）第一信号值；并且

当所述计数器（12）的值（n）大于所述转换值（u）时输出（S8）第二信号值。

8.根据权利要求7所述的方法，所述方法具有以下步骤（S9）：当所述计数器（12）的值超出所述最大计数值时将所述计数器（12）复位到所述预给定的起始值上。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，用于确定所述最大计数值（n_max）的步骤（S5）在预先确定的值范围内确定所述最大计数值（n_max）。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，用于确定所述最大计数值（n_max）的步骤（S5）在使用预先确定的公式的情况下匹配用于提高或者降低所述预先确定的基础值的值。