[发明专利]PWM信号产生可变模拟信号的方法及产生这种信号的系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于产生由PWM信号产生的可变模拟信号的方法， 以及一种产生这种信号的系统。

背景技术

基于数模转换器(DAC)的DC电压发生器已为人们所熟知。中央处理 单元(CPU)通过将确定精度的数字值引入输入寄存器的方式控制转换器。 如果用8位二进制数表示数字值，则可以表示256个数字值，因此精度为 1/256，即0.4％。如果，举例而言，电压从0伏变化到10伏，那么相邻 数字值间的电压差为0.04伏。通常在市场上可以买到含有16位寄存器的 DAC，因而中央处理单元可以引入65,536个不同的值，精度可以达到 0.0015％。和前面一样，以电压从0伏变到10伏为例，两个连续值表示 0.15毫伏的差。

DAC的价格随精度的提高和转换速度的提高而增加。如果不需要高 速转换时间，那么脉宽调制(PWM)信号能够根据数字量提供模拟电压。 PWM信号是一种信号电平为“1”的时间段在总周期内所占比例可变的周 期性数字信号。信号电平为“1”的时间段称为占空比(cyclic ratio)。基 准时钟提供基准周期。以具有被编程数值“1”的8位程序寄存器的PWM 信号发生器为例，所获得的数字信号在一个基准脉冲内为“1”，在接下来的 255个基准脉冲期间为“0”。PWM信号的数字输出于消除波动的RC积分 网络相连。从而得到了可以对其进行放大以对例如马达进行控制的连续 值。

通常可以在用于调整灯的亮度或控制通风机速度的调节系统中找到 这种类型的装置。后一种实例主要存在于电视译码器中。事实上，上述电 子设备在正常工作过程中消耗大量能量。此能量被转换为热量，集中于通 常被密封起来的设备中。如果不将此热量排出，就会引起电子元件的加速 老化，从而导致不可修复的退化。为避免这种情况，在译码器外壳进气口 附近安置通风设备，以加速同外部的热量交换，提高冷却能力。然而使用 全速运转的通风设备噪声很大。如果设备位于房间中，音量可能令人难以 忍受。试验表明听到的声音不是由速度引起的，而是由速度的变化引起的。 通风设备需要一个最低启动电压，比如，相对于10伏最大允许电压，5 伏的最低启动电压。如果通风设备受控于PWM信号，则只能使用能够产 生5至10伏间电压的数字值。对于一个8位PWM发生器来说，这些值 包含128至255之间，引起128个可能的值。因此，这种设备的精度在 可用电压范围内为1∶128 or 0.8％。当将这些值引入PWM发生器并产生 了连续电压，那么从一数字值到下一数字值的变化是能被听见的，尤其是 在像使用了控制系统，这种变化经常产生的情况下。此外，同一设备可以 使用不同型号的通风设备模型。如果采用了伺服系统，那么通风设备无需 具有同样的特征，因此设备专用的控制系统必需拥有扩展的控制范围，以 及因此产生的在整个范围内的较高的精度。

一种解决方案为：增加用于对PWM占空比(cyclic ratio)进行编程 的位数，比如12位，那么精度是0.025％。假设条件和前面相同，该结果 具有极其适于减小变化可听度的0.05％的精度。然而12位PWM成本较 高，且与使用8位值的PWM相比，需要花费更长的时间进行编程。

FUJIWARA2007年5月3日发表的文档US 2007/098374描述了一 种通风设备控制系统。控制单元23向通风设备22发送PWM信号。快速 测距探针检测通风设备的转速，并将其传输至控制单元23。该系统可以 控制膝上型电脑的温度。该文档的图7指出，通过应用从70到100％变 化的占空比可以使用大于5,000rpm速度的20kHz的频率，通过应用从 50到70％变化的占空比可以使用4,000至5,000rpm速度的30kHz频 率，通过应用从25到50％变化的占空比可以使用小于4,000rpm速度的 40kHz频率。因此，精度只取决于精度。

HOELD 2002年11月26日发表的文档US 6487246描述了一种 PWM信号发生器的内部结构。它可以分别对周期内的时钟脉冲数量和 PWM信号占空比的时钟脉冲数量进行编程。该文档指出如果在产生新信 号时对两个寄存器进行编程，该信号可能含有错误。解决这一问题的方法 是：将寄存器更新与PWM周期的建立进行同步，然而，该方法无法提高 所产生的模拟信号的精度。

发明内容

本发明能够在不增加占空比编程位数的前提下，利用更加精确的 PWM信号产生DC电压。