一款基于集成运放LM324的脉宽调制电路

顾达张家港中等专业学校

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脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压。

脉宽；PWM；取样；反馈

引言

脉宽调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压。如图1所示为一款以集成运放LM324为核心元件的比较常用且通俗易懂的脉宽调制电路,笔者从电路系统构成、各模块原理来全面剖析该电路。

1.系统工作原理

如图2所示为脉宽调制电路的系统结构框图，由方波——三角波发生电路，PWM脉宽发生电路，驱动电路，取样给定电路和直流稳压电源电路五大模块构成。系统工作原理和具体各个模块之间的关系如下：

直流稳压电源为各模块提供±12V直流电压；“方波—三角波发生电路”输出三角波，送到“PWM脉宽发生电路”中的电压比较器的反相输入端即IC1-6脚，电压比较器的同相输入端的信号由“取样给定电路”提供可微调的直流电压信号。给定信号与三角波的比较结果决定了输出电压，不同的给定电压信号产生不同占空比的矩形波，也将获得不同平均直流电压，再经基本放大电路使发光二极管流过的电流不同，发出的亮光也不同，这就是用PWM脉宽调制实现直流电压无级调节的基本工作原理。

2.模块分析

2.1 取样给定电路

该模块由R1、R2、RW1、IC1A构成。电位器RW1和电阻R1组成取样给定环节。测试点A的电位由电位器决定：电位器调到最高端电压为 —12V；电位器调到最低端电压为-6.2V。因而取样给定的电压范围为-6.2V≥VA≥—12V。

运放IC1A，反相输入端与输出端短接是同相输入比例运算电路特例电压跟随器，电压跟随器在此时起到隔离、驱动的作用，为PWM脉宽发生器提供给定电压。VB随VA变化而变化，并且相位和数值一样。

2.2 方波—三角波发生电路

由R5-R11、VZ1、VZ2、VZ3、C8、IC1C、IC1D构成。由R5-R9、VZ1、VZ2、VZ3、IC1D构成一滞回比较器，输出电压VE经R8反馈到同相输入端，构成正反馈工作状态。反相输入端由于—12V经VZ1（5.1V的稳压管）经R5到地，提供-6.9V基准电压。同相输入端的另一输入信号为IC1C输出电压VD经R7加入。R9为限流电阻，主要防止当IC1D输入—Vom(-12V)时，灌电流过大，并保证流经VZ2、VZ3的稳压管工作电流使稳压管能正常工作而设。根据VZ2、VZ3稳压值为5.1V，并为硅稳压管，正向工作电压为0.7V，则运放输出为±5.8V。（VZ2、VZ3总是一个工作在稳压状态，一个工作在正向导通状态）此电路构成方波发生器。

由R10、R11、C8、IC1C构成起延迟作用的积分电路。输出电压VD等于电容两端的电压，输入信号为VE提供的±5.8V的矩形波脉冲电压，经R10对C8进行充放电。此电路构成三角波发生器。

此电路为同相输入滞回比较器（IC1D）和延时作用的积分电路（IC1C），其中IC1C的输出VD反送到IC1D作为输入信号，同时作为PWM脉宽发生器中运放IC1B的反相输入信号。

由于运放IC1D的电路中，U-=-6.9V，因此滞回比较器的阀值电压UT可由U+过-6.9V的条件推出，由电路可知IC1D的U+=VE-（-VE-VD）÷（R8+R7）×R8。当U+=-6.9V时，即可计算出输入信号VD使输出VE翻转时的阀值电压，而VE=±UZ=±5.8V，R7=2.4K，R8=10K,当VE=-UZ=-5.8V时，UT+==7.164V,当VE=+UZ=+5.8V时，UT-=-9.948V,VD与VE的波形如图3所示。因延时积分电路的充放电电阻均为R10（36K），电容也均为C8（0.01uF）。故充放电时间常数是相同的，TL正程扫描时间和TH回程扫描时间是相等的。振荡周期的计算，在运放IC1C组成的积分运算电路中，由积分运算关系计算可得TL=TH=o.17ms，周期T=TL+TH=0.34ms，F=1/T=3KHz，在E点利用示波器可测出±5.8V的方波，所产生的方波-三角波波形如图3所示，在D点可测得三角波。方波、三角波频率理论上都在3KHz左右。

2.3 PWM脉宽发生电路

图2 系统结构框图

该模块由R3、R4、IC1B构成。运放IC1B组成单值电压比较器，加入在反相输入的信号三角波与同相输入端给定的基准信号进行比较，当三角波信号UD大于UB时，IC1B输出C点电位VC=-12V。当三角波小于UB时，IC1B输出C点电位VC=+12V。这样随着给定电压的不同，输出Vc脉宽不同。给定电压的变化范围在 —6.2V到 —12V间。

2.4 驱动部分

驱动部分由R12、R13、VD1、VD2、VT1构成。三极管工作在开关状态下，当+12V时，VT1饱和导通，VD2发光管导通发光，当-12V时，VT1截止，VD2截止无光。VD2发光的亮度直接与PWM调制波占空比有关，当占空比大时，VD2亮度高，当占空比小时，VD2亮度低或熄灭。

[1]张金华.电子技术基础与技能.高等教育出版社.2014.

[2]铃木雅臣.晶体管电路设计.科学出版社.2012.