CN108398976A - 一种基于脉宽调制生成高精度电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于脉宽调制生成高精度电压的方法，本发明首先在不添加外部D/A转换芯片来提高输出电压精度的前提下，通过要输出的电压，预先设置微控制器的PWM寄存器的两个相邻占空比的值和微控制器的定时器的定时时间，微控制器根据定时时间进入中断控制PWM寄存器值的改变，使得微控制器输出的单路PWM波为两个相邻不同占空比的PWM波按照定时时间呈现周期的变化；然后将输出的呈现周期变化的PWM波经过PWM整流电路整流再接入到其他需要高精度电压控制的模块上。本发明采用微控制器内部定时直接控制PWM波的输出，进而来提高PWM整流后输出电压的精度，弥补了8位PWM微控制器输出精度不足的缺陷，降低了使用其他D/A转换芯片所带来的成本。

Description

一种基于脉宽调制生成高精度电压的方法
技术领域
本发明涉及一种基于脉宽调制生成高精度电压的方法，属于电子技术领域。
背景技术
脉宽调制即脉冲宽度调制(PWM)，是通过改变PWM寄存器使得输出的PWM波的占空比发生改变，进而来精确的控制电压的大小。市面上使用的微控制器的PWM输出大多是8位的，等于是将输出电压按照28＝256来划分成递增间隙，按照最高输出为5V电压来计算，5/256＝0.01953125，这样输出的电压的递增间隔约为0.0195V。
在实际工程应用中，这样的电压精度往往是不够的，一般需要控制电压的精度在0.01V左右，即以0.01V为递增间隔。这就需要从其他的方面来提高，例如使用D/A转换芯片来精确控制来输出的电压，换用输出PWM精度更高的微控制器等；但是这就使得成本提高了很多，有的也会多占用微控制器的I/O口，所以使用微控制器自身的资源来提高输出PWM控制的电压精度很有必要的。
发明内容
本发明提供了一种基于脉宽调制生成高精度电压的方法，用于在不添加外部D/A转换芯片来提高输出电压精度的前提下，使用微控制器自身的资源来提高PWM整流后输出电压的精度。
本发明的技术方案是：一种基于脉宽调制生成高精度电压的方法，首先在不添加外部D/A转换芯片来提高输出电压精度的前提下，通过要输出的电压Vout，预先设置微控制器的PWM寄存器的两个相邻占空比的值N1、N2和微控制器的定时器的定时时间T1、T2，微控制器根据定时时间进入中断控制PWM寄存器值的改变，使得微控制器输出的单路PWM波为两个相邻不同占空比的PWM波按照定时时间呈现周期的变化；然后将输出的呈现周期变化的PWM波经过PWM整流电路整流再接入到其他需要高精度电压控制的模块上。
所述预先设置微控制器的PWM寄存器的两个相邻占空比的值N1、N2和微控制器的定时器的定时时间T1、T2的步骤如下：
S1、通过要输出的电压Vout，计算出要赋值到PWM寄存器两个相邻占空比的值N1、N2，将N1在微控制器初始化时写入到PWM寄存器中；
S2、调节定时时间T1、T2的大小，使得两个相邻占空比的值N1、N2的输出电压V1、V2和要输出电压Vout之间满足一定的关系，计算出定时时间T1、T2；
S3、将定时时间T1、T2设置到微控制器的定时器中。
所述控制PWM寄存器值的改变的步骤如下：
Sa、第一次定时时间T1到，改变PWM寄存器的值为N2；
Sb、第二次定时时间T2到，改变PWM寄存器的值为N1，将用于定时的标志flag清零，使定时器重新开始定时；
Sc、重复上述Sa、Sb步骤，即可输出呈周期变化的PWM波。
所述微控制器的型号为：STC12C5A60S2。
所述两个相邻占空比的值N1、N2，取值方法为：根据要输出的电压Vout计算出N的值计算所得N的值为N2、N+1为N1；其中，l为输出PWM精度，V为微控制器输出的最大电压。
所述两个相邻占空比的值N1、N2的输出电压V1、V2具体为：其中，l为输出PWM波的位数，V为微控制器输出的最大电压。
所述两个相邻占空比的值N1、N2的输出电压V1、V2和要输出电压Vout之间满足一定的关系为：
本发明的有益效果是：本发明采用微控制器内部定时直接控制PWM波的输出，进而来提高PWM整流后输出电压的精度，弥补了8位PWM微控制器输出精度不足的缺陷，降低了使用其他D/A转换芯片所带来的成本。
附图说明
图1为本发明计算N1、N2、T1、T2值的流程图；
图2为本发明微处理器输出PWM波的流程图；
图3为本发明两个相邻不同占空比的PWM波按照定时时间呈现周期的变化的波形图；
图4为本发明PWM整流电路。
具体实施方式
实施例1：如图1-4所示，一种基于脉宽调制生成高精度电压的方法，所述方法步骤如下：本实施例中设定要输出的电压Vout以0.01V为间隔递增：0、0.01、0.02、0.03、…、5，而原来的PWM输出只能以0、0.01953125、0.0390625、0.05859375、…、5来输出；可以看出以0.01为递增间隔，其精度有很大的提升。具体的：
现假设要输出的电压为2.57V，按照8位的PWM输出控制精度，并且以公式来计算，将Vout＝2.57、l＝8、V＝5带入到上式中，最终计算出来的结果为N＝123，因此有N1为124、N2为123，在两个不同的PWM寄存器值输出结果为：
由以上计算结果可知，不管将PWM寄存器的值设置为123还是124，都不能输出完整2.57V，只能输出接近的电压2.578125V。
现用本发明中的方法来计算T1、T2的值：
将上述求得V1、V2的值代入计算公式中计算；
则有2.08T2＝2.92T1；
假定T1+T2＝500，则有T1＝208us，T2＝292us(T1+T2＝500只是其中的一个假设结果，为了便于计算，也可假设出其他的便于计算的式子；考虑到PWM滤波电路的截止频率，T1、T2的值不宜设置的过大。)。
将定时时间T1、T2设置到微控制器的定时器中。
微控制器根据定时时间进入中断控制PWM寄存器值的改变，使得微控制器输出的单路PWM波为两个相邻不同占空比的PWM波按照定时时间呈现周期的变化：Sa、第一次定时时间T1到，改变PWM寄存器的值为N2；Sb、第二次定时时间T2到，改变PWM寄存器的值为N1，将用于定时的标志flag清零，使定时器重新开始定时；Sc、重复上述Sa、Sb步骤，即可输出呈周期变化的PWM波。
将输出的呈现周期变化的PWM波经过PWM整流电路整流，如图4。即可测得整流后的电压为2.57V。再接入到其他需要高精度电压控制的模块上，提高PWM整流后输出电压的精度。
本实施例中，通过上述的方法输出的单路两个相邻不同占空比的PWM波按照定时时间呈现周期的变化的PWM波，经过PWM整流后，使得输出的电压可以控制在以0.01为递增间隔进行变化，保证了对高精度电压控制器件的控制。
基于本实施例可知，按照本发明方法可使得输出的电压以0.01V，甚至是0.005V为递增间隔来控制输出电压的步进；而原来的以PWM寄存器值直接输出的方法，其步进为0.01953125，递增间隔过大，不利于对需要高精度电压控制器件的控制。例如通过控制变容二极管电压的改变，从而来改变其电容容量。
按照本实施例中的以0.01为递增间隔来分别计算出要输出的电压为0、0.01、0.02、0.03、…、5时，N1、N2、T1、T2的值如表1为：
表1
电压(V) N1 N2 T1(us) T2(us)
0 X X ∞ 0
0.01 X 254 244 256
0.02 254 253 488 12
0.03 254 253 232 268
… … … … …
2.57 125 124 208 292
… … … … …
4.98 2 1 12 488
4.99 1 0 256 244
5 0 0 0 ∞
上表中∞表示总是以该寄存器的值来输出PWM波，不进行定时改变。
X表示关闭PWM寄存器的输出，直接以低电压0V输出；以这样的方式来输出主要与微控制器的制作工艺有关，在设置PWM寄存器的值为255时，输出的PWM波并不能完全输出0V的低电平。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于脉宽调制生成高精度电压的方法，其特征在于：首先在不添加外部D/A转换芯片来提高输出电压精度的前提下，通过要输出的电压Vout，预先设置微控制器的PWM寄存器的两个相邻占空比的值N1、N2和微控制器的定时器的定时时间T1、T2，微控制器根据定时时间进入中断控制PWM寄存器值的改变，使得微控制器输出的单路PWM波为两个相邻不同占空比的PWM波按照定时时间呈现周期的变化；然后将输出的呈现周期变化的PWM波经过PWM整流电路整流再接入到其他需要高精度电压控制的模块上。
2.根据权利要求1所述的基于脉宽调制生成高精度电压的方法，其特征在于：所述预先设置微控制器的PWM寄存器的两个相邻占空比的值N1、N2和微控制器的定时器的定时时间T1、T2的步骤如下：
S1、通过要输出的电压Vout，计算出要赋值到PWM寄存器两个相邻占空比的值N1、N2，将N1在微控制器初始化时写入到PWM寄存器中；
S2、调节定时时间T1、T2的大小，使得两个相邻占空比的值N1、N2的输出电压V1、V2和要输出电压Vout之间满足一定的关系，计算出定时时间T1、T2；
S3、将定时时间T1、T2设置到微控制器的定时器中。
3.根据权利要求1所述的基于脉宽调制生成高精度电压的方法，其特征在于：所述控制PWM寄存器值的改变的步骤如下：
Sa、第一次定时时间T1到，改变PWM寄存器的值为N2；
Sb、第二次定时时间T2到，改变PWM寄存器的值为N1，将用于定时的标志flag清零，使定时器重新开始定时；
Sc、重复上述Sa、Sb步骤，即可输出呈周期变化的PWM波。
4.根据权利要求1所述的基于脉宽调制生成高精度电压的方法，其特征在于：所述微控制器的型号为：STC12C5A60S2。
5.根据权利要求2所述的基于脉宽调制生成高精度电压的方法，其特征在于：所述两个相邻占空比的值N1、N2，取值方法为：根据要输出的电压Vout计算出N的值计算所得N的值为N2、N+1为N1；其中，l为输出PWM精度，V为微控制器输出的最大电压。
6.根据权利要求2所述的基于脉宽调制生成高精度电压的方法，其特征在于：所述两个相邻占空比的值N1、N2的输出电压V1、V2具体为： 其中，l为输出PWM波的位数，V为微控制器输出的最大电压。
7.根据权利要求2所述的基于脉宽调制生成高精度电压的方法，其特征在于：所述两个相邻占空比的值N1、N2的输出电压V1、V2和要输出电压Vout之间满足一定的关系为：
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