CN108872692A - 一种工业噪声条件下的pwm波占空比测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法：采集所测PWM信号电压瞬时值，依据设定的限幅阈值对所采集的电压瞬时值进行限幅，依据多次采集的数个电压瞬时值的均值和限幅阈值的上限获取待测周期信号的占空比。通过限幅一定程度上消除了噪声对信号的干扰。本方法用较高的电压采集频率保证单片机能够跟踪占空比的连续变化。通过单片机采集电压信号，对电压信号处理后计算得到占空比，实现了无需利用高频采样信号就能测量占空比。对被测电压多次测量取平均值，进一步减小了误差。

Description

一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法

技术领域

本发明属于信号测试技术领域，具体涉及一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法。

背景技术

占空比是指有效电平在一个周期之内所占的时间比率。例如方波(一种矩形波，即电压或电流的波形为矩形)的占空比为50％，说明正电平所占时间为0.5个周期。其含义可引申为在周期型的现象中，某种现象发生后持续的时间与总时间的比。

目前，普通开关式的执行器已不能满足现代控制系统高精度的要求。占空比控制又称电控脉宽调制(PWM)技术，通过电子控制装置对加在工作执行元件上一定频率的电压信号进行脉冲宽度的调制，以实现对执行元件工作状态精确、连续的控制。

在现有技术中，一般通过信号抽样测试来测量信号的占空比。信号抽样是指将模拟信号以适当的频度从中抽取其在各时刻的数值，形成相应的离散时间信号，再由计算机进行处理。一般需要使用比待测信号高2.56倍至4倍的采样信号进行抽样测试。

目前，测量PWM信号占空比的方法有许多种，比较常用的测量方法主要有三种：

时间测量法：根据占空比定义测量待测信号的周期t1和信号的高电平宽度t1，则占空比计算公式为t1/T。

计数测量法：类似于时间测量法，计数测量法捕捉一个周期内的高电平个数。在某一时间周期内对高电平计数为N_h，假设在一个周期内总共采集N个点数，计算占空比的公式为N_h/N。

模拟测量法：利用方波占空比与直流分量成正比的特点，将方波连接低通滤波器后再经AD采集，AD采集的结果除以方波的高电平幅值就是信号占空比。

上述方法相对简单，应用也比较普遍，但都存在一定的缺陷，主要包括：

时间测量法对于标准的脉冲宽度调制(PWM)波的占空比测量效果较好，但实际工业环境中的PWM波难以达到标准形式，该方法无法克服信号中的噪声及毛刺的干扰。

计数测量法对较小占空比及较大占空比的PWM波采集误差较大。

模拟测量法在测量连续变化的占空比时敏感度不高。

现有的测量手段需要使用比待测信号高2.56倍至4倍的采样信号进行频率测试，对测试设备的要求高，限制了待测信号的最高可测试频率大小。

发明内容：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种工业噪声条件下的PWM信号采集电路和占空比测量方法，灵敏度高，误差小。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法：采集所测PWM信号电压瞬时值，依据设定的限幅阈值对所采集的电压瞬时值进行限幅，依据多次采集的数个电压瞬时值的均值和限幅阈值的上限获取待测周期信号的占空比。

较佳地，包括：

步骤1，设定PWM信号的采集总次数n，设定累计次数i＝0，设定限幅阈值；

步骤2，采集PWM信号电压瞬时值V₀，i＝i+1；

步骤3，判断电压瞬时值V₀是否在限幅阈值之内，若是，则V_i＝V₀；

若电压瞬时值V₀大于限幅阈值的电压上限V_{PP_H}，则V_i＝V_{PP_H}，若电压瞬时值V₀小于限幅阈值的电压下限V_{PP_L}，则V_i＝V_{PP_L}；

步骤4，判断i是否大于等于n，若是，则进入步骤5，若否，则回到步骤2；

步骤5，计算电压平均值

步骤6，PWM信号占空比

较佳地，在步骤2采集PWM信号电压瞬时值V₀之前，采用光耦芯片对PWM信号进行隔离。

较佳地，光耦芯片采用6N137高速光耦。

较佳地，在6N137高速光耦芯片的输入端设有限流电阻，在6N137高速光耦芯片的输出端设有分压电阻。

较佳地，用单片机采集十位码值ADC0的PWM信号，并将采集的PWM信号转换为PWM信号电压瞬时值V₀。

较佳地，单片机采用C8051F340单片机。

较佳地，限幅阈值的电压上限V_{PP_H}设定为单片机PWM信号采集端口最大幅值电压的70～80％，限幅阈值的电压上下限V_{PP_L}设定为190mV～210mV。

较佳地，采集总次数n满足香农采样定理，1/(n×t_s)＞2f_D，其中t_s为单片机单次AD转换时间，f_D为PWM占空比变化频率。

本发明的有益效果在于：通过限幅一定程度上消除了噪声对信号的干扰。本方法用较高的电压采集频率保证单片机能够跟踪占空比的连续变化。通过单片机采集电压信号，对电压信号处理后计算得到占空比，实现了无需利用高频采样信号(频率比待测信号高2.56倍至4倍)就能测量占空比。对被测电压多次测量取平均值，进一步减小了误差。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例所采用的信号采集电路图；

图3为本发明实施例所采用C8051F340单片机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法：采集所测PWM信号电压瞬时值，依据设定的限幅阈值对所采集的电压瞬时值进行限幅，依据多次采集的数个电压瞬时值的均值和限幅阈值的上限获取待测周期信号的占空比。具体包括：

步骤1，设定PWM信号的采集总次数n，设定累计次数i＝0，设定限幅阈值；

步骤2，采集PWM信号电压瞬时值V₀，i＝i+1；

步骤3，判断电压瞬时值V₀是否在限幅阈值之内，若是，则V_i＝V₀；

若电压瞬时值V₀大于限幅阈值的电压上限V_{PP_H}，则V_i＝V_{PP_H}，若电压瞬时值V₀小于限幅阈值的电压下限V_{PP_L}，则V_i＝V_{PP_L}；

步骤4，判断i是否大于等于n，若是，则进入步骤5，若否，则回到步骤2；

步骤5，计算电压平均值

步骤6，PWM信号占空比

较佳地，在步骤2采集PWM信号电压瞬时值V₀之前，采用光耦芯片对PWM信号进行隔离。

本实施例中，光耦芯片采用6N137高速光耦。

本实施例中，在6N137高速光耦芯片的输入端设有限流电阻，在6N137高速光耦芯片的输出端设有分压电阻。

本实施例中，用单片机采集十位码值ADC0的PWM信号，并将采集的PWM信号转换为PWM信号电压瞬时值V₀。

本实施例中，单片机采用C8051F340单片机。

本实施例中，限幅阈值的电压上限V_{PP_H}设定为单片机PWM信号采集端口最大幅值电压的70～80％，限幅阈值的电压上下限V_{PP_L}设定为190mV～210mV。

本实施例中，采集总次数n满足香农采样定理，1/(n×t_s)＞2f_D，其中t_s为单片机单次AD转换时间，f_D为PWM占空比变化频率。

本发明首先利用单片机采集所测PWM信号电压瞬时值。根据PWM信号选取合适的电压上限值和电压下限值，对采集电压值进行限幅，从而去除噪声及毛刺。然后计算限幅后采集到的电压的平均值，最后利用公式计算待测周期信号的占空比。

选择一路PWM信号进行采集(多路信号同样适用)。采集单片机初始化后，单片机首先对PWM信号瞬时电压进行采集，采集次数为n(综合占空比采集精度和跟踪速度进行确定，n越大，则测量精度越高，但跟踪速度越慢)，此外采集次数n与单次AD转换时间ts(由单片机自身性能决定)乘积的倒数，满足香农采样定理(即：1/(n×t_s)＞2f_D)。完成n次采集之后，进行数字滤波，根据限幅后电压计算出占空比，传输给其他元件。

PWM采集电路用于采集周期一定、脉冲宽度可调的矩形波(PWM)信号，采集电路如图2所示。为提高抗干扰能力，PWM信号首先通过6N137高速光耦进行隔离。6N137光耦最大延迟为75ns，远小于PWM信号周期，可满足实时性要求。隔离电路前端加入限流电阻R1，保证6N137光敏二极管正常导通(导通电流6.3～15mA)。6N137输出为集电极开路，需加上拉电阻R4，根据负载、调压以及延迟时间等因素综合确定(当负载大、被分走的电压小或响应延迟时间短，则上拉电阻取较小值)，一般较小值可取为350欧。输出端接电容C3，用于吸收纹波和减少光耦接收端开关工作时对输出的冲击，一般取0.01uF。

信号电压采集选用C8051F340单片机，由其内部AD实现。参考电压VDD为2.4V或者3V。为保证PWM幅值不大于参考电压VDD，光耦隔离后的PWM信号通过电阻R2、R3进行分压。

处理后的PWM信号进入单片机，单片机内部的AD模块实时采集PWM波瞬时电压值，并计算直流电压，进而计算占空比。

由于采集的实际PWM信号中有噪声及毛刺，计算占空比时，显然不能直接将采集的实际最大电压作为幅值电压，而需要选择合适的电压上限值作为幅值电压用于占空比计算。具体实施步骤如下：

(1)首先采用6N137高速光耦对PWM信号进行隔离，以提高抗干扰性能；

(2)隔离后的PWM信号利用电阻进行分压，将信号输送至采集单片机；

(3)由单片机采集的十位码值ADC0转换求采集电压瞬时值：采集电压值V0＝(电压基准值*ADC0)/2¹⁰；

(4)选取合适的电压上限(VPP_H)和电压下限(VPP_L)对采集的电压(V0)进行限幅处理得到限幅后电压值。电压下限值一般取为200mV，电压上限值一般取为单片机PWM信号采集端口最大幅值电压的70～80％，最佳值可通过实验进行微调，单片机PWM信号采集端口最大幅值电压通过示波器进行检测。若采集电压值大于限幅电压上限值，则取限幅电压上限值。若采集电压小于限幅电压下限值，则取限幅电压下限值，否则取其采集值。计算公式如下所示。

限幅电压上限与下限的确定，可通过实验或根据PWM信号隔离后分压电路计算得到；

(5)根据滤波后的瞬时电压计算电压平均值计算公式如下所示；

(6)根据占空比计算公式，得到PWM信号占空比。占空比计算公式

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法，其特征在于：采集所测PWM信号电压瞬时值，依据设定的限幅阈值对所采集的所述电压瞬时值进行限幅，依据多次采集的数个所述电压瞬时值的均值和所述限幅阈值的上限获取待测周期信号的占空比。

2.根据权利要求1所述的一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法，其特征在于，包括：

步骤1，设定PWM信号的采集总次数n，设定累计次数i＝0，设定限幅阈值；

步骤2，采集PWM信号电压瞬时值V₀，i＝i+1；

步骤3，判断所述电压瞬时值V₀是否在所述限幅阈值之内，若是，则V_i＝V₀；

若所述电压瞬时值V₀大于所述限幅阈值的电压上限V_{PP_H}，则V_i＝V_{PP_H}，若所述电压瞬时值V₀小于所述限幅阈值的电压下限V_{PP_L}，则V_i＝V_{PP_L}；

步骤4，判断i是否大于等于n，若是，则进入步骤5，若否，则回到步骤2；

步骤5，计算电压平均值

步骤6，PWM信号占空比

3.根据权利要求1所述的一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法，其特征在于：在所述步骤2采集PWM信号电压瞬时值V₀之前，采用光耦芯片对PWM信号进行隔离。

4.根据权利要求3所述的一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法，其特征在于：所述光耦芯片采用6N137高速光耦。

5.根据权利要求4所述的一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法，其特征在于：在所述6N137高速光耦芯片的输入端设有限流电阻，在所述6N137高速光耦芯片的输出端设有分压电阻。

6.根据权利要求1所述的一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法，其特征在于：用单片机采集十位码值ADC0的PWM信号，并将采集的所述PWM信号转换为所述PWM信号电压瞬时值V₀。

7.根据权利要求5所述的一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法，其特征在于：所述单片机采用C8051F340单片机。

8.根据权利要求所述的一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法，其特征在于：所述限幅阈值的电压上限V_{PP_H}设定为单片机PWM信号采集端口最大幅值电压的70～80％，所述限幅阈值的电压上下限V_{PP_L}设定为190mV～210mV。

9.根据权利要求1所述的一种工业噪声条件下的PWM波占空比测量方法，其特征在于：

所述采集总次数n满足香农采样定理，1/(n×t_s)＞2f_D，其中t_s为单片机单次AD转换时间，f_D为PWM占空比变化频率。