脉冲信号的分类及应用

只看该作者 · 2023-2-22 22:16

一、脉冲信号的一些基本参数
1、单次脉冲和连续脉冲
在发生事态时仅发生 1 次的脉冲称为单次脉冲，连续重复发生的脉冲称为连续脉冲。示意图如下图

2、脉宽
从脉冲上升到峰值功率的半功率点与下降过程中的半功率点之间的时间间隔称为脉宽。

3、脉冲开启时间和关闭时间
脉冲高电平持续时间称为脉冲开启时间、脉冲低电平持续时间称为脉冲关闭时间。

二、脉冲的调制方法
在电机系统控制中，不可或缺的是电信号“调制”，即在传送信息时“根据传送媒介的性质转换信号”。
其中根据脉冲变化进行电信号传送及生成的方式称为“脉冲调制”。
尤其在电机类控制中常用的调制方式是“脉宽调制（PWM/PulseWidth Modulation）”与“脉冲振幅调制（PAM/Pulse Amplitude Modulation）”。

1、脉宽调制（PWM）
让脉冲的高度（振幅）保持一定，改变脉宽的控制方式。在某个期间中“脉冲开启时间”的比率称为“占空比（工作周期）”，通过改变占空比即可获得合适的电压。通过缩短开启 / 关闭的周期，可获得与开启脉宽成正比的电压，因此具有高效以及控制性优异的特点。
2、脉冲振幅调制（PAM）
改变脉冲高度（振幅）的控制方式。在空调等的脉冲振幅调制变频器中，通过控制整流部电压，改变脉冲电压的振幅。
3、脉冲编码调制（PCM/Pulse Code Modulation）
通过将模拟信号以一定周期进行标本化（采样）并转换（量子化）为二进制数，将输入的模拟信号转换为数字信号（脉冲列）的脉冲调制方式。将语音等模拟信号作为数字信号传送时使用，也称为模拟 - 数字转换。用途包括 CD（CD-DA）、PCM 记录仪、Blu-ray（BDMV）等。
4、脉冲密度调制（PDM/Pulse Density Modulation）
依据以一定宽度分割的时间内的脉冲密度，生成波形。通过将语音或影像等模拟信号替换为脉冲列，而转换为数字信号的方法之一，实现比 PCM 更高的音质转换。用于新 CD 标准 SACD（Super Audio CD）。
5、脉冲位置调制（PPM/Pulse Position Modulation）
将信号转换为一定时间范围的脉冲相位差（位置）的脉冲调制方式。特点在于，信息由脉冲位置决定，因此不易受干扰影响。用于通过改变每个交流电流周期的开启时间比例来控制电压，以调整照明或热源温度的“晶闸管相位控制”的控制用脉冲。

当然，最常用的还是PWM调试方法，无论是电机调速、灯光调光、温度控温等基本都是用的该方法。

三、利用脉冲的电机
利用脉冲信号控制驱动的典型系统有步进电机（脉冲电机）或伺服电机等电机类。
1、步进电机
与接收的电脉冲信号同步运行的电机。通过脉冲数与频率进行旋转角度及速度等旋转控制。其原理为输入 1 个脉冲时旋转的轴角度（基本步进角）为固定，每当有脉冲输入就仅旋转事先规定的角度。标准的 5 相步进电机时，基本步进角为 0.72°，输入 125 个脉冲则旋转 90°，500 个脉冲时旋转 360°。步进电机的旋转量与脉冲信号数量成正比，旋转速度与频率成正比。

2、伺服电机
利用以目标物的位置或方向等作为控制量运行的自动控制装置“伺服机构”的电机。具有步进电机中所没有的旋转检测仪，在检测旋转角度或旋转速度的同时向驱动器进行反馈，并对旋转轴的当前位置与目标位置进行比较后经过运行使其差分变为“0”。因此，停止精度非常高，常用于机床或工业机器人等。

步进电机和伺服电机对比如下：

四、旋转编码器中的脉冲术语
所谓旋转编码器，是指将由旋转产生的机械性位移转换为脉冲信号的装置。以往被视为用于旋转角测量的检测仪，而目前其使用范围已扩展至为机器人定位的伺服等领域。旋转编码器按照测量方式，分为“增量方式”与“绝对方式”两种。增量方式时，旋转编码器的脉冲输出包括每次旋转都输出的 Z 相，以及不同相位的 A 相与 B 相共 3 种。检测直线位移的编码器称为线性编码器。

1、增量方式
裂缝盘的外沿上具有窗口，按照透过窗口的光的开 / 关来输出脉冲信号。其特点在于，能够非接触检测旋转，并依据 A相与 B 相的输出时间点检测旋转方向。脉冲输出仅在旋转期间发生。

2、绝对方式
测量 1 次或 1 次以上旋转相对于原点的绝对角度位置的方式。裂缝盘的窗口配有不同的符号，分别输出各自的代码信号。具有抗干扰性强的特点，但为了提高分辨率需要增加位数（信号线数）。代码方式包括格雷码、二进制码、BCD 码等，最常用的是格雷码。

3、A 相、B 相、Z 相
在增量方式的旋转编码器，每次旋转输出 1 次 Z 信号。此信号作为原点使用。A 相与 B 相的脉冲在顺时针时，B 相脉冲以相对 A 相脉冲延迟 1/4 个脉冲周期（90°）输出。在逆时针时，A 相脉冲以相对 B 相脉冲延迟 1/4 个脉冲周期输出。脉冲数因分辨率而异。

4、分辨率
所谓分辨率，是指增量方式旋转编码器旋转 1 次时输出的脉冲数以及绝对型旋转编码器的绝对编号。精度随着分辨率而变化，因此应结合用途及成本选择具有合适分辨率的旋转编码器。另外，脉冲采集仪（数据采集仪）也设有可显示的分辨率。

5、高电平 / 低电平
脉冲信号以“低电平 / 高电平”或“0/1”描述。例如，将低电平或 0 作为 0 电位，将高电平或 1 作为 5 V 电位，转换为数字信号进行测量。

6、占空比
所谓占空比，是指脉冲信号周期与脉宽的比率，可通过以下公式表示。在电机控制中使用的 PWM 控制，这是非常重要的项目。　

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