基于脉宽调制的传感器读取电路设计与实现*

龙 军，关 威，汪旭东，陈 君

(北京控制工程研究所，北京100094)

基于脉宽调制的传感器读取电路设计与实现*

龙 军*，关 威，汪旭东，陈 君

(北京控制工程研究所，北京100094)

设计了一种新型的传感器信号读取电路，该电路将传统的脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)电路进行改进，对PWM信号采用占空比和频率同时调制而不是单一的占空比调制，在信号传输过程中，该电路可将两路电压输入信号调制到一路PWM信号上，通过对输出PWM信号进行解调可还原两路输入信号的电压值。实验结果表明，该电路输出PWM信号占空比和频率分别与两路输入电压信号呈良好的线性关系，电压转换精度分别达到0.34%、0.26%。此外，该电路具有抗干扰能力强、转换精度高和成本低的优点，非常适合传感器信号的调理和读取。

脉宽调制;传感器;信号读取;测量;电路设计

脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)的思想起源于通信技术，后来在逆变电路中的成功应用确定了其在电力电子技术领域的重要地位［1－2］。PWM技术以其对波形调制的灵活性和通用性得到了广泛的应用［3］，成为电力变换器控制的基础。PWM信号在传输过程中是数字形式，无需进行数模A/D(Analog to Digital)转换。同时，数字形式的传输方式还可以减小噪声的影响，相对于模拟的方式，PWM具有更高的噪声容限，从而可以极大地延长通信距离。

由于PWM技术具有上述优势，使得它在自动化、传感器和测量领域也有大量的应用［4－8］。文献［9］中通过脉宽调制电路将传感器电容的变化转化为占空比变化的脉冲信号进行传输［9］，文献［10］中使用的振动传感器采用PWM信号作为输出方式［10］。由于PWM转换电路可将模拟信号调制成数字信号进行传输，可直接送入数字系统进行处理，同时，PWM信号经过低通滤波后可以还原模拟信号，所以，PWM电路在传感器测量系统中可作为A/D和D/A转换器使用［11－12］，非常适合于对转换精度需求高、低成本和抗干扰能力强的应用场合。

在某些特殊的测量场合，有时候需要同时传输两路传感器信号，而且两路信号之间需要具有一定的时间同步性，例如，压力传感器温度补偿中需要同时传输压力和温度信号，温度信号用来校正压力输出值以获得更准确的压力测量信息。再如，在高精度流量测量过程中，流量测量系统需要同时获得与流量信息相关的量，比如测量过程中需要压力信息。通常情况下，上述两种信号的采集一般会采用两路单独的信号调理电路进行处理和传输，电路实现起来较复杂，信号通道占用多，成本较高。

针对上述问题，本文设计了一种基于PWM原理的电路，该电路对传统的PWM电路进行改进，将PWM信号由原来的单一占空比调制改进成占空比和频率同时调制，这样便可同时传输两路信号。该电路具有很好的线性度和精度，不仅可替代传统传感器测量方案中所需的A/D转换器，还能节省信号传输通道数量，降低成本。

1 PWM电路原理

PWM信号是周期固定，占空比变化的数字信号。通常情况下，用硬件的方式实现PWM波形输出，可以使用三角波与经处理的输入信号进行比较来得到PWM调制信号，对PWM调制信号占空比的测量可实现A/D转换的过程。因此，采用PWM方式可以降低电路的复杂程度，还能增强信号在传输过程中的抗干扰能力，图1即为三角波与输入调制信号比较得到的PWM调制信号的原理示意图。

图1 生成PWM波形的示意图

图1中比较器的正端为被调制信号，负端为固定频率的三角波信号。PWM信号单周期的高电平时间与脉冲周期的比之叫做占空比，通常表示为百分数。图1中比较器输出端即为PWM信号，该信号的占空比与被调制信号的电压幅值具有对应关系。

图2说明了PWM信号产生的过程，当被调制信号VM的幅值大于三角波信号时，输出高电平。反之，输出低电平。

图2 PWM电路波形生成说明

输出PWM信号的占空比随着被调制信号VM的改变而改变，占空比δ可由下式计算

由上述过程可知，通过比较器将被测信号及调制信号与三角波信号进行比较，得到调制后的PWM信号。由式(1)可以看出PWM信号的占空比与被测信号的大小成线性关系。因此，采用PWM技术可实现一种基于时间测量的A/D转换方法。

2 信号读取电路设计

上述是传统的PWM信号产生原理，传统的PWM信号通常具有固定频率，其占空比随被调制信号变化而改变。如果将传统的PWM信号产生电路进行改进，即除了占空比调制之外，如果原来固定的频率信号可以随输入信号变化，即频率调制，则PWM信号可以同时传输两种信号。

图3为本文提出的具备占空比和频率调制功能的传感器信号读取电路。A1、A2为运算放大器，A3、A4为比较器，U1、U2为反相器、SW1～SW4为模拟开关。A2、A3、A4、电阻 R6～R8、电容 Ct组成典型的PWM电路，其中A2和A3以及R6、R7、R8和Ct组成三角波发生器，产生等腰三角波。

图3 新型传感器信号读取电路

本文在传统的PWM电路基础上增加了反相器U1、U2、模拟开关SW1～SW4、运算放大器A1和R1～R5用于调节三角波发生器的频率，模拟开关由反相器控制切换，经过放大器A1进行电压变换后以实现输入电压信号Vi2的频率调制。比较器A4正输入端为被调制的电压信号Vi1，与A2输出端的三角波相比较后输出PWM波形，输出信号的占空比仅与Vi1有关。

图3所示电路的工作原理为:当A3的输出端为高电平的时候，U1输出端为低电平，而U2输出端为高电平时，由于U1和U2的输出端控制模拟开关SW1～SW4，所以SW1、SW3断开，SW2、SW4闭合，电路的简化结构如图4(a)所示，此时，A2组成的积分电路为充电过程。同样的，当A3的输出端为低电平的时候，A2组成的积分电路为放电过程，如图4(b)所示。如此反复，在放大器A2的输出端产生等腰三角波，三角波振幅由式(2)确定

式中:取R6=9.9 kΩ，R7=10 kΩ，则三角波的电压范围为(0.025 V～4.975 V)，即 VH=0.025 V，VL= 4.975 V。

图4 信号读取电路充放电过程的不同电路结构

由式(1)可知，PWM信号的占空比表达式为

式中:Vi1为第1路输入信号。由上式可知，Vi1与输出信号占空比为线性关系。

通过图4可以推导出信号的调制频率表达式为式中:Vi2为第2路输入信号，Ct为积分电容。输出信号的频率由式(4)确定，由上式可以看出，Vi2与输出频率之间是线性关系。

电路设计中，R1～R4均为10 kΩ，R5=9.23 kΩ，R8=102 kΩ，积分电容Ct=270 pF。Vi1用于调节输出信号的占空比，输入电压Vi1的范围为(0.5 V～4.5 V)，对应占空比调制范围约在10%～90%范围内。同时，考虑电路的响应速度，设计的输出信号频率调制范围大约在30 kHz～90 kHz，对应Vi2电压范围(0.5 V～2.0 V)。

3 实验测试及验证

为了验证所设计的传感器信号读取电路的性能，对电路进行了输入输出特性的测试实验，实验中第1路输入信号Vi1在(0.5 V～4.5 V)范围内每隔0.5 V设定一个电压测试点;第2路输入信号Vi2在(0.5 V～2 V)范围内每隔0.5 V设定一个电压测试点。实验过程如下:①第2路输入信号Vi2固定值在第1个设定电压，第1路输入信号Vi1依次按设定点电压输入;②采用示波器抓捕输出信号波形，读取信号周期和高电平时间值，计算不同输入情况下，输出信号的频率和占空比;③第2路输入信号Vi2固定值在第2个设定电压，第1路输入信号Vi1依次按设定点电压输入;④重复上述过程，依次设定第2路输入信号Vi2的设定值，并调节第1路输入信号Vi1输入电压，直到所有测试电压均被测试完成。

实验中对输出信号的频率和占空比进行测量的结果如表1～表4所示。表中可以看出，电路的输出信号占空比由Vi1决定，输出信号的频率由Vi2决定。

表1 Vi2=2.0 V时输出信号测量结果

表2 Vi2=1.5 V时输出信号测量结果

表3 Vi2=1.0 V时输出信号测量结果

表4 Vi2=0.5 V时输出信号测量结果

图5和图6分别显示了输出信号的占空比、频率与输入电压Vi1、Vi2之间的关系和表达式。输入电压Vi1与占空比δ之间的线性关系表达式为

输入电压Vi1与占空比δ之间的线性关系表达式为

对测试数据进行计算表明，该电路对输入信号Vi1、Vi2的转换误差分别为0.34%、0.26%。可以满足大部分信号测量和传输的需求。

图5 输出信号占空比与输入电压Vi2的关系

图6 输出信号频率与输入电压Vi2的关系

4 结论

本文设计了一种新型的传感器信号读取电路，通过对传统的PWM电路进行改进，将原有的PWM信号的占空比调制扩展为频率和占空比同时调制，设计并实现了两路电压输入信号调制到单路PWM信号的信号读取电路。针对该电路进行了试验验证，实验结果表明，该电路对输入信号Vi1、Vi2的转换误差分别为0.34%、0.26%，可满足工程中信号变换和测量的需求。该电路不仅可替代传统传感器测量方案中所需的A/D转换器，还能节省信号传输通道数量，降低成本。此外，该电路具有抗干扰能力强、转换精度高和成本低的优点，非常适合传感器信号的调理和读取。

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龙 军(1985－)，男，湖北荆门人，2013年获浙江大学控制科学与工程专业工学博士学位，现为北京控制工程研究所高级工程师，主要从事传感器信号处理及高精度测量电路研究，longjun20811307@ gmail.com。

Design and Implementation of a PWM Based Sensor Readout Circuit*

LONG Jun*，GUAN Wei，WANG Xudong，CHEN Jun
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100094，China)

A novel sensor readout circuit is developed by improving the traditional PWM(Pulse Width Modulation) circuit.In the novel circuit，duty cycle and frequency synchronous modulation are adopted instead of duty cycle modulation.In the process of signal transmission，two input voltage signals can be modulated onto a PWM signal.The voltages of two input signals can be retrieved by demodulating the PWM output.Experimental results show that the PWM duty cycle and frequency of the proposed circuit have good linear relationship with the two input voltage signals，respectively.And the signal conversion accuracy reaches to 0.34%and 0.26%，respectively.In addition，the proposed circuit has advantages of a strong anti-interference ability，high conversion accuracy and low cost，which is more suitable for sensor signal processing and pickup.

pulse width modulation;sensor;signal readout;measurement;circuit design

TP212

A

1004－1699(2017)02－0184－05

C:7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2017.02.003

项目来源:十二五民用航天项目(E020415)

2016－06－29 修改日期:2016－09－17