用於產生由pwm信號產生的模擬信號的方法以及產生這種信號的系統的製作方法

2023-06-22 02:47:56

專利名稱：用於產生由pwm信號產生的模擬信號的方法以及產生這種信號的系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於產生根據PWM信號產生的模擬信號的方法，以及一種產生這 種信號的系統。
背景技術：
在電過程控制領域中，根據數字數據產生模擬信號是必要的。簡單的方法在於使 用數模轉換器(DAC)。中央處理單元(CPU)通過將確定精度的數字值引入到輸入寄存器中， 來控制轉換器。模擬精度是隨著DAC的位的數字值增大而變得更大。商業上通常可用具有 16位寄存器的DAC，中央處理單元能夠對於從0伏特至10伏特變化的電壓採用65536個不 同值，16位DAC產生具有0. 15毫伏差的兩個連續值，即0. 0015%的精度。數模轉換器的價格隨著精度的增加以及隨著轉換時間更迅速而增加。如果不要求 迅速的轉化時間，脈衝寬度調製器(PWM)信號使得能夠根據數字量值提供模擬電壓。PWM信 號是包括兩種狀態「0」和「 1」的數位訊號，該信號是周期性的並且由基本時鐘的分頻來產 生。在周期期間，信號處於1的持續時間是可調整的。通過轉換，循環比對應於信號為1的 持續時間與信號周期的總時間的比值。以具有8位程序寄存器的PWM信號發生器為例，在8 位程序寄存器中編程數值「 1 」，所獲得的數位訊號對於單個基本脈衝為「 1 」，並且在隨後的 255個基本脈衝期間為「0」。PWM信號的數字輸出與RC積分電路相連接，RC積分電路平滑 掉周期信號。因此獲得可以被放大以控制例如馬達的連續值。PWM信號控制設備的應用要求輸出處的模擬電量值非常大。典型地，可以調整馬 達或燈的強度，可以調節放大器的功率等等。PWM信號在電視解碼器中控制風扇速度。事 實上，這些電子設備在正常工作期間消耗巨大的能量。這種能量被轉化為熱量，熱量集中 在通常密封的設備中。如果不疏散，熱量引起電子組件的加速老化從而導致不可逆轉的惡 化。為阻止該情況，在解碼器的外殼中將風扇靠近進風口放置以加速與外部的交換並提高 冷卻。但使用全速風扇很吵。如果將設備放置在室內，聲級是煩擾的。實驗已經顯示速度 是聽不見的，而是速度的變化。當將數值引入PWM發生器，並因此產生了連續電壓時，一個 值到下一值的過渡是可聽的，尤其當這種變化經常介入時，就像對於控制系統的情況。每個 設備的風扇特性都有變化。因此控制系統必須提供廣泛命令範圍中的命令並因此在整個範 圍上具有高等級精度。為提高控制信號的精度，一種解決方案在於增加寄存器的位數，寄存器控制信號 為「1」的持續時間。例如，如果是12位寄存器，精度是1/4096 = 0. 025%。但是12位PWM 發生器比8位PWM發生器更貴，另外具有相同的基本頻率而周期是16倍，因此其反應更慢。另一解決方案在於周期和循環比都改變。為這樣做，PWM信號發生器裝配有兩個 控制寄存器，一個用於編程周期信號的持續時間，即周期，記作「PER」。另一寄存器編程信號 為「1」的持續時間，記作「Τ_0Ν」。循環比是比值T_0N/PER的結果，其始終小於1，因為T_ ON總是小於PER。產生的模擬量的值與循環比成正比。對於8位PWM發生器，通過對PER和T_ON值都進行大量修改，獲得多於256個可能的值，所以存在最後使得能夠產生許多不 同電壓值的大量對。通過遵循規則T_0N ( PER,獲得以下如果PER = 255，則對於Τ_0Ν可能是256個值。如果PER = 254，則對於Τ_0Ν可能是255個值。如果PER = 253，則對於Τ_0Ν可能是254個值。…
如果PER = 2，則對於Τ_0Ν可能是3個值(0、1或2)。如果PER= 1，則對於Τ_0Ν可能是2個值(0或1)然後信號連續為「0」或「 1」。PER的空值無意義。可能的對數目是算術級數的結果，對於算術級數公式是Σ = 255X ((1+255)/2) =32640 個不同的(T_0N/PER)對。應注意的是，執行比值T_0N/PER所獲得的一些十進位值是相等的，例如1/2 = 2/4 =4/8 = 8/16 = 16/32 = 32/64 = 64/128。計算說明有 19947 對(T_0N，PER)，產生不同 的十進位值，不同的十進位值產生相同多的不同的模擬電平。這些19947個十進位值包括 在0與1之間，且可以假定產生具有1/19947的最小精度的任何十進位值。遺憾的是，精度 很大程度上從一個值變化到另一個值。事實上，在將由所有對(T_0N，PER)產生的19947個十進位值組織在增加值的 列表中時，應注意兩個連續值之間的差變化很大。在大多數情況下，十進位值之間的差是 0. 000016，這產生大約1/62000的精度，但在列表的特定區域中，差明顯地增大並可以升至 0.001961，這使得精度降低至1/510。當希望產生模擬值的有規律變化時，這種差引起線性 預設。兩個循環比之間的差的明顯上升是由於以下事實比值T_0N/PER提供離散的十進位 值，離散的十進位值不提供彼此間的相同差。文獻US 2005/110668-CHIN C0UGLAS描述了一種提高DAC的精度的方法。在P麗 的輸入處產生確定的電壓Vd。PWM發生器提供具有兩個電平0伏特和根據可變循環比的 Vd的信號。然後對由PWM提供的信號進行濾波，以產生取決於值Vd和PWM的循環比的連續 電壓，連續電壓實現輸出電壓的精細調節。該文獻僅考慮了產生高度不精確性的特定周期 和循環比值，因此最好不使用它們。文獻US 6593864-REILLY Timothy描述了一種PWM發生器，對於這種PWM發生器， 對信號進行積分以提供模擬電壓。補償電路使得能夠減小時間上由於溫度而引起的偏移。 將積分器輸出處的電壓與參考值相比較，如果差較大，在計數器的上/下輸入處應用狀態， 以修改PWM的參數(ref. 22)，以這樣的方法使得在時間上保持的相同電平的模擬輸出。該 文獻僅考慮了產生高度不精確性的特定周期和循環比值，因此最好不使用它們。文獻EP 1575171-PATRA PATENT描述了一種由電子電路調製的PWM發生器，，電子 電路產生循環的且與PWM的周期同步的波形。該電子電路將調製添加至PWM信號，使得能 夠在整體上提高精度。該文獻僅考慮了產生高度不精確性的特定周期和循環比值，因此最 好不使用它們。
發明內容
因此本發明使得能夠減少由於一些周期和循環率值產生不精確性而引起的非線 性效應，並因此能夠從PWM信號產生具有高等級精度的模擬值。本發明的一個目的是一種用於產生根據PWM信號產生的模擬信號的方法，PWM信 號具有與命令值相關聯的第一周期值和第一循環比值，對所述PWM信號進行電積分以產生 模擬信號。其特徵在於，所述方法包括第二周期值和第二循環比值的應用步驟，產生PWM信 號，對於PWM信號，將電積分後的信號偏移預定幅度；以及模擬設備的激活步驟，產生根據 PWM信號產生的模擬信號的偏移，根據PWM信號產生的模擬信號的偏移的幅度與由第二周 期和循環比值的應用所產生的偏移的幅度相等且方向相反。這樣，如果命令值不能精確地與所給的循環比和周期對相對應，則通過執行所述 對的值的偏移來找到產生給定幅度的第二循環比和周期值對，並且通過命令相同幅度且相 反方向的模擬偏移，獲得精確的期望命令值。根據第一改進，當電積分後的信號的值與從命令值獲得的理論值之間的差比閾值 大時，執行第二周期和循環比值的應用步驟，以及產生偏移的模擬設備的激活步驟。這樣， 能夠為偏移的觸發設定參數。根據改進，用戶可以引入閾值來與所述差相比較，以便確定是否有必要命令偏移。 這增加了更多的靈活性，並且如果所期望的精度是中等的，使得能夠避免太多偏移。根據另一 改進，對於所有命令值提前確定執行兩個相互補償偏移的判定。有利地，判定是以指示符的形 式來表現的，對要應用的每個命令值存儲所述指示符。這樣，立即做出命令偏移的判定。根據另一改進，第二周期和循環比值的應用步驟以及產生模擬信號的偏移的模擬 設備的激活步驟的執行在時間上是有偏移的。這樣，最慢偏移裝置最先開始從而其他裝置 將迅速補償差而不產生太大的偽像。根據該改進，在第一周期的結束處執行產生模擬信號 的偏移的模擬設備的激活步驟，在第一周期期間應用第二周期和循環比值。這樣，第一 PWM 周期已經被編程並開始產生偏移，當模擬信號的偏移發生得稍微晚一些時，但由於其更快， 所以將相互地並動態地減小所述效應。根據另一改進，如果產生模擬信號的偏移的模擬設備立即應用幅度，則連續地在 產生模擬信號的偏移的模擬設備的激活步驟時，所應用的第一周期和循環比值增加，以考 慮由於PWM信號的積分而引起的建立延遲，以這種方法限制由模擬偏移產生的明顯差異。 這樣，能夠補償在模擬設備的激活期間所產生的偽像，同時由於積分器電路的時間常量，導 致更慢建立由第二周期和循環比值所產生的模擬信號，模擬設備的激活具有立即效應。根據另一改進，PWM信號產生設備具有用於從多個預定值中選擇模擬信號的偏移 的值的電路。這樣，可以獲得若干模擬偏移值，並且因此獲得更好的精度。根據另一改進， 自學設備使得能夠計算模擬信號的偏移的值，從而該值與由其他周期和循環比值的應用所 產生的值相同，其他周期和循環比值的應用產生PWM信號，對於PWM信號，電積分後的信號 偏移。這樣，能夠根據設備的自治功能來校準，並因此提高每個設備的固有精度。本發明的另一目的是一種用於產生根據PWM信號產生的模擬信號的設備，PWM信 號由與命令值相關聯的第一周期值和第一循環比值表徵，該設備包括PWM信號的積分裝置 以產生模擬信號。
其特徵在於，該設備包括用於產生第二周期和循環比值的裝置，產生另一 PWM信 號，對於另一PWM信號，電積分後的信號偏移了預定幅度；以及用於對根據PWM信號產生的、 被電積分的信號進行偏移的裝置，產生偏移，偏移的幅度與由第二周期和循環比值產生裝 置所產生的偏移的幅度相同而方向相反。


參照附圖，根據以下作為非限制性示例的實施例的描述，本發明的其他特性和優 點將變得顯而易見，在附圖中圖1示出了根據本發明實施例的電子設備的截面圖；圖2示出了根據優選實施例的可變模擬信號的產生系統；圖3示出了使得能夠提取周期和循環比對以產生可變模擬信號的相應表格的示 例；圖4示出了從十進位0000到65536變化的命令十六進位值的不精確性的等級的 曲線； 圖5示出了根據實施例的使得能夠提供精確模擬信號的步驟的流程圖；圖6示出了使得能夠實現應用到由PWM信號發生器產生的信號的模擬偏移的電子 圖的示例；圖7示出了其中在與數字偏移應用同步的同時執行模擬偏移的電子圖的示例。
具體實施例方式圖1描述了電子設備(例如電視解碼器)的截面圖。設備包括印刷電路1，在印刷 電路1上布置有電子電路2。硬碟3使得能夠記錄數據，尤其是記錄超長視聽作品。電路2 和硬碟3消耗大量能量並釋放熱量。例如，解碼器2的CPU典型地釋放大約6瓦特的能量。 因此，解碼器的特定區域(在圖1中以灰色標記)比其他區域熱。風扇4從解碼器中抽出 熱空氣。兩個通風進風口5切入解碼器外殼使得能夠有兩個冷卻進風口。彎曲箭頭示出了 氣流的路徑。進風口的數目、位置和尺寸是良好通風的重要元件，本領域技術人員公知這些 參數。圖2示出了根據本發明的優選實施例的使得能夠控制風扇V的速度的模擬信號的 產生設備D。圖2可應用於在輸入處接收數字值並在輸出處提供PWM信號的所有模擬信號 產生系統。在所述實施例中，管理單元M是板上的一個電路2或電路2的一部分，其功能是 維持風扇速度儘可能接近設定速度。管理單元M具有數字輸入以接收代表風扇速度的信號 (這些信號通常被稱作「速(Tachy)」)，以及命令輸出以控制圖2中的風扇4或V。速信號 是脈衝信號，每單位時間脈衝數目確定風扇的真實速度。根據速信號，管理單元6計算風扇 速度V，並使得能夠進行任何校正以盡保持速度儘可能接近設定速度的值。產生設備D產生PWM信號以控制風扇速度。利用積分裝置(典型地是由電阻器R 和電容器C構成的低通濾波器)將數位訊號轉換成模擬信號。然後利用電晶體或放大電路 A來放大模擬信號。施加的模擬電壓可以在0到12伏特之間變化，但通常風扇在小於大約 5伏特的電壓下不轉，並且如果超過9伏特風扇變得噪音太大。因此，馬達的命令值的有用 範圍在41%與75%之間變化，這證實了在該非常窄的範圍內具有良好精度等級的必要性。在本發明的上下文中，可以對周期信號的持續時間PER和信號為「1」的持續時間T_ON。根據第一簡單實施例，模擬信號產生系統計算16位命令值以控制風扇。產生系統 具有記錄在存儲器中的對應表格，存儲器對每個命令十六進位值提供能夠產生該命令值的 一對(T_0N，PER)。65536個值的表格是對(T_0N，PER)的有序列表。如先前所述，循環比可 以是19947個不同值，因此，一些對值可以與相同命令值相關聯。圖3的表格是對應表格的示例。假定模擬信號產生系統計算命令值8096H(十進 制為32918)，表格提供值PER = 219和Τ_0Ν = 110，系統用這些值來編程PWM的兩個寄存 器。還能夠縮減表格，使得輸入值的數目是與低於2的16次冪相等的數，例如2的14次冪 或2的12次冪。然後一些對(T_0N，PER)會消失，這是由於關聯的十進位值與保留在表格 中的其他值非常接近。因此優化了由表格所佔據的存儲區域。大多數微控制器控制16位數據，在此後的文獻中保留由以16位值為索引的對應 表格。因此該表格包含65536個值。利用圖3的表格將觀察到，兩個連續命令值通常與兩個不同對(T_0N，PER)相 關聯。但情況並不是總如此，例如對於命令值808BH和808CH，或8090H和8091H，或甚 至80A3H和80A4，表格僅僅提供單個對(T_0N，PER)。因此，對於兩個命令值之一，精度從 0. 16. 10_6( = 1/65536)至0. 32. IO"6( = 1/32768)。對其他值，精度下降得相當大，例如在 值8000H周圍，發現下面的命令值和對(T_0N，PER)
權利要求
1.一種用於產生根據PWM信號產生的模擬信號的方法，PWM信號具有與命令值相關聯 的第一周期值(PER)和第一循環比值(Τ_0Ν)，對所述PWM信號進行電積分以產生模擬信號，其特徵在於，所述方法包括第二周期值(PER)和第二循環比值(Τ_0Ν)的應用步驟 (5. 5)，產生PWM信號，對於所述PWM信號，電積分後的信號偏移了預定幅度；以及產生偏移的模擬設備的激活步驟(5. 4)，所述偏移是根據PWM信號產生的模擬信號的 偏移，根據PWM信號產生的模擬信號的偏移的幅度與由第二周期(PER)和循環比(Τ_0Ν)值 的應用所產生的信號的偏移的幅度相等且方向相反。
2.根據權利要求1所述的用於產生模擬信號的方法，其特徵在於，當電積分後的信號 的值與從命令值獲得的理論值之間的差比閾值大時，執行第二周期(PER)和第二循環比 (Τ_0Ν)值的應用步驟(5.5)以及產生偏移的模擬設備的激活步驟(5.4)。
3.根據權利要求2所述的用於產生模擬信號的方法，其特徵在於，所述方法包括用於 引入要與所述差相比較的閾值的步驟。
4.根據權利要求1所述的用於產生模擬信號的方法，其特徵在於，預先針對所有命令 值確定執行兩個相互補償偏移的判定。
5.根據前述權利要求中任一項所述的用於產生模擬信號的方法，其特徵在於，第二周 期(PER)和第二循環比(Τ_0Ν)值的應用步驟(5. 5)的執行，以及產生模擬信號的偏移的模 擬設備的激活步驟(5.4)的執行在時間上是有偏移的。
6.根據權利要求5所述的用於產生模擬信號的方法，其特徵在於產生模擬信號的偏移 的模擬設備的激活步驟在第一周期結束處執行，在所述第一周期期間應用第二周期(PER) 和循環比(Τ_0Ν)值。
7.根據前述權利要求中任一項所述的用於產生模擬信號的方法，其特徵在於，如果產 生模擬信號的偏移的模擬設備立即應用預定的幅度，則連續地在產生模擬信號的偏移的模 擬設備的激活步驟中，增加所應用的第一周期(PER)和循環比(Τ_0Ν)值，以考慮在建立模 擬信號時由於其積分而引起的延遲，這樣來限制由模擬偏移產生的明顯差異。
8.根據前述權利要求中任一項所述的用於產生模擬信號的方法，其特徵在於，所述方 法包括用於從多個預定值中選擇模擬信號的偏移的值的步驟。
9.根據前述權利要求中任一項所述的用於產生模擬信號的方法，其特徵在於，所述方 法包括自學步驟，用於計算模擬信號的偏移的值，從而該值與由產生PWM信號的第二周期 (PER)和循環比(Τ_0Ν)值的應用所產生的值相等，對於PWM信號，電積分後的信號偏移。
10. 一種用於產生根據PWM信號產生的模擬信號的設備(D)，所述PWM信號由與命令值 相關聯的第一周期(PER)值和第一循環比(Τ_0Ν)值來表徵，所述設備包括PWM信號的積分 裝置以產生模擬信號，其特徵在於，所述設備包括第二周期(PER)和循環比(Τ_0Ν)值的產生裝置(M)，用於 產生另一 PWM信號，所述另一 PWM信號的電積分後的信號偏移了預定幅度；以及對根據PWM信號產生的、並被電積分的信號進行偏移的裝置(R3)，產生偏移，所述偏移 的幅度與由第二周期(PER)和循環比(Τ_0Ν)值的產生裝置(M)產生的偏移的幅度相等且 方向相反。
11.根據權利要求10所述的用於產生模擬信號的設備(D)，其特徵在於，當電積分後 的信號的值與從命令值獲得的理論值之間的差比閾值大時，激活第二周期(PER)和循環比(Τ_0Ν)值的產生裝置(M)以及對根據PWM信號產生的模擬信號進行偏移的裝置(R3)。
12.根據權利要求11所述的用於產生模擬信號的設備(D)，其特徵在於，所述設備(D) 包括用於引入要與所述差相比較的閾值的裝置。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的用於產生模擬信號的設備(D)，其特徵在 於，第二周期(PER)和循環比(Τ_0Ν)值的產生裝置(M)的激活和偏移根據PWM信號產生的 模擬信號的裝置(R3)的激活在時間上是有偏移的。
14.根據權利要求13所述的用於產生模擬信號的設備(D)，其特徵在於，在第一周期的 結束處執行對根據PWM信號產生的模擬信號進行偏移的裝置(R3)的激活，在第一周期期間 應用第二周期(PER)和循環比(Τ_0Ν)值。
15.根據權利要求10至14中任一項所述的用於產生模擬信號的設備(D)，其特徵在 於，所述設備(D)包括用於從多個預定值中選擇模擬信號的偏移的值的裝置。
16.根據權利要求10至14中任一項所述的用於產生模擬信號的設備(D)，其特徵在 於，所述設備(D)包括自學裝置，用於計算模擬信號的偏移的值，使得該值與由產生PWM信 號的第二周期(PER)和循環比(Τ_0Ν)值的應用所產生的偏移的值相等，對於所述PWM信 號，電積分後的信號偏移。
全文摘要
本發明涉及一種由PWM信號產生的模擬信號的產生方法，PWM信號的循環比和周期是可參數化的。因此能夠選擇根據產生模擬值的循環比和周期而形成的對，該模擬值最接近與編程的命令值相對應的值。但是模擬值之間的差可以非常大，並產生可變寬度的不精確區域。在這些區域之外，所產生的模擬信號非常精確。因此，當與對相關聯的命令值不精確時，在應用偏移裝置的同時將數字偏移應用於命令值。兩個偏移都具有相同的幅度和相反的方向，從而互相抵消，產生精確的模擬值。本發明還涉及一種用於執行本方法來產生模擬信號的設備。
文檔編號H03K7/08GK102007693SQ200980113055
公開日2011年4月6日 申請日期2009年4月9日 優先權日2008年4月14日
發明者格扎維埃·吉東, 菲利普·貝內澤, 菲利普·馬塞 申請人:湯姆森許可貿易公司