2.4 單片機PWM與輸出驅動

　　單片機采用定周期調占空比的方式實現PWM調制。其輸出有兩種方式可供選擇，一種輸出方式的脈沖寬度受來自ADC0809的直流偏置+交流幅值的數據控制，脈寬高、低電平延時量按正弦脈動直流規律變化，這種方式的輸出電路和程序編寫都簡單，但輸出端需增加隔直流電容，適用于輸出功率不大的應用場合，如圖8單片機PWM脈寬驅動電路所示；另一種是以ADC0809輸出的最高數字位作為正負符號位（所加的直流偏置幅值），對負數求補后再決定輸出脈沖寬度，這相當于用軟件整流，輸出的脈寬按全波整流波形的規律變化，為使輸出電壓按正弦交流變化，輸出電路需增加極性變換電路，不需要隔直流電容，單片機需增加變極性控制端子，這種方式適用于輸出功率較大且不適用隔直流電容的應用場合。

　　請參看圖9單電源變極性交流輸出仿真電路。

　　3 單片機PWM的交流穩壓原理

　　電源在實際使用中往往由于電網電壓或負載電流的變化導致電壓波動，嚴重影響電橋測量的精確度。要實現穩壓，必然要引入閉環的負反饋控制。對交變的正弦信號，如何確定給定值和反饋值是實現交流穩壓的關鍵。

　　3.1 交流給定值的確定

　　交流給定值的確定有很多方法，如采用數表法確定每一采樣時刻的給定值，此方法需要的存儲空間很大，而且要求精度越高，所需存儲空間越大，不太適合存儲空間有限的單片機。一種簡單有效的方法是采用默認值加鍵入增減值作為給定值，這是一個數字量，對應著正常交流輸入情況下的交流輸出有效值。

　　3.2 反饋值的檢測與量化

　　對實際輸出的交流電壓作全波整流和平均值檢測，然后量化為數字量，可采用的方法也很多，如模數轉換型或壓頻變換計數型均可。此數字量對應著實際輸出的交流有效值。在調試過程中，調試程序中的相關參數，或調試電路參數，使正常情況下輸出的電壓有效值達到給定值時，反饋的數字量等于給定值數字量。

　　3.3 偏差信號的PID調節

　　不論是電網電壓變化，或是負載電流的變化，都反映在穩壓電源輸出電壓的變化上，應用單片機對反饋值與給定值的差值作數字PID調節，輸出的數字量用以調節輸入端的數控增益放大器，只要滿足閉環反饋控制為負反饋性質，就可實現無靜差的穩壓控制，使交流輸出電壓有效值穩定在給定值上。

　　如果只要求輸出電壓穩定，允許有靜差存在，可以只采用P比例度控制，這樣可使控制算法大為簡化。有關P、PI、PD、PID控制性能對比如圖10PID階躍響應曲線所示。

圖10 PID階躍響應曲線

　　由圖示階躍響應曲線可知，P和PD控制算法都存在靜差。

　　如果將電網電壓的變化作前饋檢測，與微處理器的閉環負反饋控制結合構成前饋－反饋控制，則會在電網電壓波動時提高控制的響應速度，使電網電壓的波動不影響穩壓輸出，取得更好的穩壓效果。

　　3.4 PID控制算法的特點

　　PID是經典的工業過程控制算法，通常應用于工作速度不很高的控制過程中。根據不同的控制對象和控制要求，可分別采用比例控制P，比例－積分控制PI，比例－微分控制PD和比例－積分－微分控制PID。其中比例控制的主要作用是對偏差的放大量，以提高控制靈敏度，但輸出量是以偏差的存在為依存的，通常輸出存在靜差；積分控制的主要作用就是消除靜差，但會使響應速度減小；微分控制則可提高響應速度，也存在靜差。有階躍響應曲線圖10還可以看出，采用PID調節是響應速度最快的無靜差控制。

　　4 單片機PWM調制交流穩壓電路計算機仿真

　　4.1控制電路計算機仿真的特點

　　目前流行的電子仿真軟件有好幾款，其中PROTEUS嵌入式系統仿真與開發平臺是一款可以實現數字電路、模擬電路、微控制器系統仿真以及PCB設計等功能的EDA軟件。

　　從元件的選取到連線，直至電路的調試、分析和軟件的編譯，都在計算機中完成，所有的工作先在虛擬環境下進行。可以在原理圖設計階段對所設計的電路進行評估、驗證，看是否達到設計要求和技術指標，并可以通過改變元件參數使整個電路性能達到最優化。這就避免了傳統電子電路設計中方案更換帶來的多次重復購買元器件及制板，在節省設計時間與經費的同時，提高了設計效率和質量。

　　現代化教學越來越多地使用多媒體教學設備和實驗室電腦教學，這為開展一定量的計算機仿真實驗教學提供了基礎。仿真實驗中不需要擔心元器件的損壞，也不需要設立太多的條條框框，學生可以放心大膽地從多方位對仿真電路進行實驗，作更深層次的分析探討。

　　PROTEUS軟件提供了三十多個元器件庫，有數千種元器件，涉及電阻、電容、電感、二極管、晶體管、MOS管、變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵源、300多種微處理器、各種門電路和各種終端等。提供的儀表有：交直流電壓表、交直流電流表、邏輯分析儀、定時/計數器、信號發生器、多蹤示波器等。作為交互式可視化仿真軟件，提供數碼管、液晶屏、LED、按鈕、鍵盤等外設，同時支持圖形化的分析功能，具有直流工作點、瞬態特性、交直流參數掃描、頻率特性、傅里葉、失真、噪聲分析等多種分析功能，可將仿真曲線繪制到圖表中。可見擁有了仿真軟件，如同擁有了一個龐大的實驗室。

　　4.2 交流穩壓電路計算機仿真電路與輸出波形

　　圖11是電阻性負載的交流穩壓電源仿真電路圖，圖12給出了示波器檢測的波形圖，圖中黃色為單片機脈寬輸出波形，藍色為晶體管脈沖驅動波形，紅色為脈沖續流濾波后輸出的正弦交流波形，綠色為提供參考的輸入交流波形。由輸出波形可知除有一定延時外，無任何波形畸變，無諧波污染。仿真實驗表明，當交流電源頻率提高到100Hz時，輸出波形平滑度仍相當好。圖12是有續流時的濾波輸出電壓波形；圖13是切斷二極管續流支路后的脈沖驅動波形和交流輸出電壓波形，可以看到明顯的輸出電壓波形畸變和諧波污染現象。由此可知續流濾波對輸出電壓波形的重要性。

圖11 PWM調制交流穩壓計算機仿真電路