占空比

万用表之如何检测发动机漏电与占空比

对于电机控制来说，占空比是一项直接影响控制精度的关键参数，而如何快速分析出占空比变化的趋势，正是分析这一问题的核心。只要有了占空比变化趋势曲线，电机异常运行的原因自然就浮出水面。

1、 PWM占空比概述

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。而占空比就是高电平持续时间与整个周期时间的比值，占空比越大，高电平持续的时间越长，模拟电路开通的时间就越长，如图1所示。

图1 占空比含义

2、 什么是占空比趋势测量？

要测量占空比趋势首先要测量占空比，占空比测量方法是使用超高速ADC采样PWM波形，然后通过可编程逻辑器件FPGA测量高电平脉宽t和周期T计算出占空比。占空比趋势测量则是对每一个PWM波的占空比测量并存储下来，最后显示在屏幕上，如图2所示。一个PWM波对应一个占空比值，显示在屏幕上并且连线，这样就可以很直观的看到所有PWM波形的占空比变化趋势。

图2 占空比趋势测量

示波器的存储深度对占空比趋势测量影响很大，所谓趋势趋势，即是长时间的变化动向，如果存储深度小，那么所记录的时间就很短，采样的波形也就很少，对于分析趋势就没有意义。目前ZDS4000系列示波器存储深度高达512Mpts，可以在高采样率下存储数十秒的波形，比较适合分析信号变化趋势。

3、 实例应用与分析

某使用PWM波形驱动的直流电机在加速过程中存在微小抖动情况，观察电机转速波形如图3所示，开始加速后大约在3.6秒转速出现一个下拉动作。电机PWM调速原理是通过改变接通脉冲的宽度，使直流电机电枢上电压的占空比改变，从而改变电枢电压的平均值，控制电机的转速。因此基本可以确定这个转速下拉动作是由于PWM波占空比出现异常引起的。

图3 电机转速异常

为了确定具体的问题，使用ZDS4000系列示波器采样电机启动后的PWM波形，设置为单次上升沿触发，采样时间大概为7秒，波形如图4所示，由于采样的时间长，波形多，完全是密密麻麻，什么细节都看不到，开启测量和统计功能，可以看到信号周期、频率、占空比Current、Max、Min和相关计算值，但是还是找不到异常的占空比波形。

图4 PWM波形和测量

这个时候用ZDS4000系列示波器新开发独特的占空比趋势测量功能，将每一个PWM波的占空比显示在屏幕上，点击示波器数学运算Math按键，模式选择趋势图，类型选择占空比，示波器会自动检测PWM波的周期和阈值，无需过多设置，就可以快速出波形，波形如图5所示。屏幕上除了通道1，还多了MATH通道，颜色为紫色，MATH通道显示的即是占空比趋势，可以看到占空比缓慢递增后大约在屏幕中间位置出现了异常。和通道1一样，MATH通道也可以调节垂直档位和偏移。

图5 占空比趋势波形

定位到占空比异常位置后，开启示波器缩放模式下ZOOM多窗口显示功能，对信号进行局部放大，如图6所示，可以清晰的看到占空比异常的细节，同时开启对ZOOM1窗口数据的测量和统计，可以看到占空比从正常的59.62%变为9.99%左右。

图6 ZOOM模式放大

ZDS4000系列示波器不仅仅可以分析占空比趋势，还可以分析周期和频率变化趋势，结合强大的测量功能。

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包含了方波频率调节功能， 调节功能，1-9999Hz的测频功能，利用RC网络作为DA，实现正弦波的产生。

以下简要说明下其实现原理：

调频模式，同时在任意频率下调节占空比的实现：利用定时/计数器1的模式14，将ICR1寄存器设置为TOP值，OCR1A寄存器设置为脉宽控制值。改变ICR1的值，即改变了定时/计数器溢出的周期，从而达到调频的功能。改变比较匹配寄存器OCR1A的值，即可改变脉宽的宽度。定时/计数器在输入捕捉中断中更新数值ICR1和OCR1A的值。

由于调频时在定时/计数器不分频时精度最高，但产生的频率有范围，为达到1-9999Hz的频率范围，又要确保精度，故采用两段分频段，在每个分频段内，当输出的频率越低时，精度越高。由于不分频时，其产生的频率范围为244Hz以上，故在250-10K时，采用不分频的时钟频率；在1-250Hz时，采用256分频的时钟频率刚好可以满足最小1Hz的频率输出。在256分频时，产生1-250Hz内的频率，其最大误差为1Hz；在不分频时，产生250-10KHz内的频率，最大误差为6Hz（其误差主要在高频段），在低频段，其最小误差在0.004Hz。

计算公式：256分频的算公式：Frency=62500/ICR1;

不分频的频率计算公式：Frequency=16000000/ICR1;

在系统频率设置完成后，占空比自动调节为50%，当改变OCR1A寄存器的值时（不超过ICR1），即可调节占空比。当ICR1寄存器的值越大，OCR1A可调值的范围就越大，产生的误差就越小。在256分频段，ICR1寄存器的值最小为250（产生250Hz频率时），占空比最大相差0.2%。在不分频段，ICR1寄存器的值最小为1600（产生10KHz频率时），基本上没有误差。

测频模式的实现：由定时/计数器1当做时基，产生固定的时间T，将定时/计数器0的时钟设置为外部时钟输入，外部待测的由T0管脚进入。在T时间内，通过数脉冲信号的个数，可以计算出待测信号的频率。

由于待测信号的频率范围为1-9999Hz，故选用8分频模式，可测频率范围覆盖39-9960Hz，但误差较大，达到40Hz。当采用64分频时，可测频率范围覆盖4-1245Hz，误差为5Hz。当采用256分频时，可测频率范围覆盖1-311Hz，误差为1Hz，可以满足要求。故选用三段测频法，在1-311Hz范围，用256分频测频；在311-1245Hz范围，用64分频测频；在1245-9999Hz范围，用8分频测频。由于存在这样的问题，因为每个分频段的频率计算公式不同，当被测信号频率波动很大时，该测量方法在从高频段返回低频段时会出现计算公式误套的现象。解决的方法是，每10次测量后，重新返回8分频段，确定测频的最佳分频段，再而进入该测频段，进行相对精确的测量。

产生正弦波的实现：利用等面积法，通过在正弦波各个小分段内，改变方波的占空比，改变传递过去的能量，经过RC网络滤波平滑后，即可产生相对平滑的正弦波。由于二阶RC网络的截止频率为1.8Hz，所以对于16M的晶振，采用1024分频，对一个正弦波周期分为m的点，采用8bit定时/计数器，产生的正弦波频率为sin_frequency=16000000/(1024*256*m)；当m=256时，产生0.24Hz的正弦波，通过改变取样点数m的值，可以改变正弦波的频率，但是变化范围很有限。

RC网络模拟DA原理图

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