pwm如何测电压

脉冲宽度调制信号本身并非直接用于电压测量，但其独特的占空比特性使其能间接反映或参与电压检测过程。本文将深入探讨其原理，系统梳理利用脉冲宽度调制测量电压的多种技术路径，包括基于阻容滤波的直流转换、结合微控制器的模拟数字转换器采样、以及精密的电荷平衡法等，并详细分析各自的电路设计、计算方法和应用场景，旨在为工程师和技术爱好者提供一套实用且专业的电压测量解决方案。

       在许多电子设计与嵌入式系统开发领域，工程师们常常需要处理电压测量任务。提到测量电压，人们通常会直接联想到万用表或专用的模拟数字转换器。然而，一种广泛应用于电机控制、电源管理和信号调制的技术——脉冲宽度调制，竟然也能与电压测量产生深刻的联系。这并非指脉冲宽度调制信号本身直接等同于电压表，而是指通过巧妙的电路设计与算法处理，我们可以利用脉冲宽度调制的特性来间接、高效地实现电压的测量或监控。本文旨在深入剖析“脉冲宽度调制如何测电压”这一主题，为您揭示其背后的原理、方法与实际应用。

       理解脉冲宽度调制的核心：占空比

       要理解脉冲宽度调制如何用于电压测量，首先必须掌握其核心概念——占空比。脉冲宽度调制信号是一种数字信号，它在高电平与低电平之间快速切换。占空比定义为在一个信号周期内，高电平持续时间所占整个周期的百分比。例如，一个百分之五十占空比的信号，意味着高电平和低电平的持续时间各占一半。这个占空比是一个可以精确控制的变量，在许多微控制器中，可以通过寄存器数值直接设定，从而输出特定占空比的脉冲宽度调制波。正是这个可精确调控的占空比，成为了连接数字控制与模拟量（如电压）测量的关键桥梁。

       基础方法：阻容滤波转换为直流电压

       最直观的一种思路是将脉冲宽度调制信号视为一个平均值可变的“准”模拟信号。根据信号平均值的原理，一个脉冲宽度调制信号的平均直流电压值，等于其峰值电压乘以占空比。例如，对于一个峰值为五伏、占空比为百分之六十的脉冲宽度调制信号，其平均电压就是三伏。如果我们使用一个低通滤波器（通常由电阻和电容组成）对这个脉冲宽度调制信号进行滤波，滤除其高频开关成分，那么滤波器的输出端就会得到一个相对平滑的直流电压，其值近似等于上述计算的平均电压。此时，测量这个直流电压，就等于间接测量了脉冲宽度调制信号的占空比。反过来，如果我们能生成一个占空比未知的脉冲宽度调制信号，通过测量其滤波后的直流电压，便能反推出其占空比。

       结合微控制器的模拟数字转换器进行采样测量

       在现代嵌入式系统中，微控制器往往同时集成了脉冲宽度调制发生器和模拟数字转换器。这为实现高精度的电压测量提供了便利。一种常见的方法是：让微控制器生成一个已知占空比的脉冲宽度调制信号，经过简单的阻容滤波后，输出一个平滑的直流参考电压。将这个参考电压施加到一个电压比较器的一端，将被测未知电压施加到另一端。通过编写程序动态调整脉冲宽度调制信号的占空比，直到比较器输出状态发生翻转，此时表明参考电压与被测电压相等。由于占空比是已知且精确可控的，根据公式即可计算出此时参考电压的值，从而得知被测电压值。这种方法巧妙地将电压测量转化为对数字占空比的搜索过程。

       精密测量技术：电荷平衡法

       对于需要更高精度的场合，可以采用电荷平衡法的原理。这种方法的核心思想是构建一个积分器。将被测直流电压输入到一个由运算放大器构成的积分电路，使其输出斜坡电压。同时，将一个已知幅值、但极性相反的脉冲宽度调制参考电压也接入积分器。系统通过反馈控制，动态调整脉冲宽度调制参考电压的占空比，使得在一个测量周期内，被测电压对积分电容充入的电荷，与脉冲宽度调制参考电压放出的电荷精确平衡，从而保持积分器输出电压的平均值为零。在平衡状态下，脉冲宽度调制信号的占空比与被测电压的大小成严格的线性比例关系。通过测量这个平衡占空比，即可高精度地反推出被测电压值，这种方法在一些高精度模拟数字转换器芯片的设计中得到应用。

       利用脉冲宽度调制输入捕获功能测量电压频率表征

       在某些传感器应用中，被测物理量（如温度、压力）被转换成电压后，可能会进一步被调制为频率信号（例如，电压控制振荡器）。此时，该频率信号的频率值与待测电压成正比。微控制器的脉冲宽度调制模块通常具备“输入捕获”功能，可以精确测量外部脉冲信号的周期或频率。通过测量此频率值，就能间接计算出原始的传感器电压。这种方法将电压测量转化为对时间间隔的数字测量，充分利用了微控制器的定时器资源，具有抗干扰能力强的优点。

       在开关电源中的电压反馈与测量

       脉冲宽度调制技术是开关电源的核心。在降压、升压等电路中，输出电压的稳定是通过反馈环路实现的。输出端的分压电阻网络对输出电压进行采样，得到一个反馈电压。这个反馈电压与一个基准电压进行比较，误差信号经过补偿后，用于调节主开关管的脉冲宽度调制占空比，从而稳定输出电压。在这个闭环系统中，脉冲宽度调制信号的占空比直接反映了输出电压的状态。通过监控控制芯片的脉冲宽度调制占空比命令值，或者在电路中测量脉冲宽度调制驱动信号的实际占空比，可以间接推算出电源的输出电压是否正常，这是一种在线、非侵入式的电压监测手段。

       基于脉冲宽度调制和数字电位计的电压设定与读取

       数字电位计是一种可通过数字信号（如脉冲宽度调制滤波后的电压）调整阻值的器件。我们可以构建一个电路，用微控制器产生的脉冲宽度调制信号，经过滤波后作为数字电位计的控制电压，来设定其阻值。这个数字电位计又作为分压网络的一部分，其分压点的电压值与设定阻值相关。通过测量这个分压点的电压，并与脉冲宽度调制占空比设定值进行对比校准，可以建立一个“占空比-输出电压”的查找表或函数关系。之后，对于未知电压，可以通过调整占空比使数字电位计分压点电压与之相等，从而利用已知关系求得未知电压。

       低分辨率模拟数字转换器的扩展：过采样技术

       在一些低成本微控制器中，内置的模拟数字转换器分辨率可能较低。为了提高测量分辨率，可以结合脉冲宽度调制和过采样技术。具体做法是：利用一个脉冲宽度调制信号和一个简单的阻容滤波电路，产生一个微小、精确可控的电压偏置或抖动信号，将其叠加到被测电压上。然后以远高于奈奎斯特频率的速率对叠加后的信号进行多次采样。通过数字信号处理算法（如求平均、噪声整形），可以从大量低分辨率采样值中提取出更高分辨率的测量结果。这种方法实质上是利用脉冲宽度调制在时间域上增加了信息量。

       电机驱动中的反电动势测量

       在无刷直流电机控制中，为了获知转子位置，常采用检测反电动势过零点的方法。在脉冲宽度调制驱动下，电机绕组在不通电的区间会产生反电动势，其电压幅值与电机转速成正比。通过在合适的时刻（如下桥臂导通、上桥臂脉冲宽度调制关断时）对电机相线电压进行采样，可以测量到这个反电动势。控制器的脉冲宽度调制时序为这种同步采样提供了精确的时间窗口。通过测量反电动势的电压大小或过零点时刻，不仅可以换相，还能间接推算出电机的转速（反电动势常数已知），这可以看作是一种特殊的、动态的电压测量应用。

       电池管理系统中的开路电压估算

       在电池管理系统中，电池的开路电压是估算其荷电状态的关键参数。但电池在负载下存在内阻压降，端电压并非开路电压。一种方法是在电池静置时测量，另一种更动态的方法是利用脉冲宽度调制控制的负载。通过控制脉冲宽度调制占空比，使负载电流在零与一个固定值之间脉冲式变化。在电流为零的脉冲间隔内，快速测量电池端电压，此时测得的电压非常接近开路电压，因为内阻压降瞬间消失。通过精确控制脉冲宽度调制占空比和采样时机，可以实现在线、近似实时的电池开路电压测量。

       光电隔离场景下的电压信号传递与测量

       在需要电气隔离的场合，如强电与弱电之间，电压信号不能直接传递。此时，可以将被测的模拟电压先转换为一个频率或占空比与之成正比的脉冲宽度调制信号。这个数字化的脉冲宽度调制信号可以通过光电耦合器毫无失真地传递到隔离的另一侧。在接收侧，可以使用计数器测量其频率，或者使用模拟滤波器将其恢复成直流电压进行测量。这样，就实现了隔离状态下的电压测量，脉冲宽度调制信号充当了安全可靠的载波。

       使用专用集成电路实现高精度脉冲宽度调制电压转换

       市场上有一些专用的集成电路，专门设计用于将脉冲宽度调制信号高精度地转换为模拟电压，或者进行相反的操作。这类芯片内部集成了精密的基准源、滤波器和输出缓冲放大器。它们通常能提供比简单阻容滤波更好的线性度、更低的纹波和更强的带负载能力。在测量方案中，如果使用这类芯片将微控制器的脉冲宽度调制信号转换为一个极其稳定和精确的模拟电压，再将这个电压作为参考或比较基准，可以极大提升整个测量系统的精度和可靠性。

       软件算法补偿与校准提升测量精度

       无论采用上述哪种硬件方法，软件算法都扮演着至关重要的角色。由于元器件存在公差、温度漂移和非线性，单纯的硬件转换关系可能存在误差。通过在软件中引入校准流程——例如，在已知几个精确的参考电压点下，记录对应的脉冲宽度调制占空比或测量值——然后采用查表法或线性插值等算法进行补偿，可以显著消除系统误差。对于滤波法，软件还可以实施数字滤波来进一步平滑数据，提高测量的稳定性和分辨率。

       方案选择考量：精度、速度与成本的权衡

       面对多种多样的脉冲宽度调制测电压方案，在实际项目中如何选择？这需要综合考虑精度、响应速度、系统成本和复杂度。简单的阻容滤波法成本最低，但精度和响应速度受滤波器时间常数限制，适用于要求不高的场合。结合模拟数字转换器和比较器的方法精度较高，速度较快，但需要微控制器参与控制。电荷平衡法精度最高，但电路和控制系统最为复杂。工程师需要根据被测电压的范围、变化频率、所需的测量精度以及项目的资源约束，来选取最合适的技术路径。

       常见误区与实践注意事项

       在实践中，有几个常见误区需要注意。首先，脉冲宽度调制信号的频率选择至关重要。频率过低，则滤波后的电压纹波大；频率过高，可能超出滤波器元件的有效工作范围或引入开关噪声。其次，阻容滤波器的设计需要权衡响应速度和纹波，时间常数越大，电压越平滑，但对占空比变化的响应越慢。再者，必须关注地线布局和噪声干扰，尤其是在测量微小电压时。最后，任何基于脉冲宽度调制的间接测量方法，其绝对精度都依赖于基准电压的精度，因此一个稳定、低漂移的电压基准是获得可靠结果的基础。

       未来发展趋势与展望

       随着集成电路技术的进步，脉冲宽度调制功能与模拟数字转换器、比较器、可编程增益放大器等模块的集成度越来越高。未来，在单芯片系统上实现更智能、自校准的脉冲宽度调制电压测量方案将成为可能。此外，结合人工智能算法，对脉冲宽度调制测量过程中的非线性、温漂等进行动态建模和补偿，有望在复杂环境下进一步提升测量的智能化水平和精度。脉冲宽度调制技术以其灵活性和数字兼容性，必将在电压测量及相关传感领域持续发挥独特而重要的作用。

       综上所述，脉冲宽度调制测量电压并非天方夜谭，而是一系列蕴含巧思的工程实践。从简单的平均值原理到复杂的电荷平衡闭环系统，每一种方法都揭示了数字世界与模拟世界之间深刻的联系。掌握这些方法，不仅能帮助我们在资源受限时找到创新的测量途径，更能深化我们对信号处理和控制系统的理解。希望本文详实的探讨，能为您在未来的电子设计项目中，提供有价值的参考和启发。