PWM實現(xiàn)ADC采集電量的原理是什么

1. 說明

對于沒有ADC的主控芯片來說，如果要實現(xiàn)ADC的功能，可以用兩個GPIO和一個運算放大器解決該問題。對于某些國產(chǎn)芯片來說，其內(nèi)部沒有ADC，所以在有些方案上采用的是PWM電路進(jìn)行模擬電壓的測量。接下來逐步分析一下基本的原理與采集過程。

2.基本原理

利用積分電路，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，將PWM變成平滑的電壓輸出。然后與需要測量的電壓用比較器進(jìn)行比較。不斷調(diào)節(jié)PWM的占空比，當(dāng)比較器的輸出從0到1時，正好變化時，記錄當(dāng)前的PWM的占空比即可實現(xiàn)模擬電壓的測量。

2. 硬件原理圖

2.1 積分電路

該部分電路的作用主要是將PWM波轉(zhuǎn)換成一個平滑的直線。

由于電容兩端的電壓不能突變，這里采用三階積分電路，使得輸出到比較器的電壓是一個平滑的直流電壓。

計算公式

 

 

輸入為100K，振幅為3.3V的PWM波。當(dāng)占空比為70%時，此時的輸出波形為一個平滑的直流電壓，根據(jù)計算公式，得到理論值為2.31V與仿真得到的2.325V基本保持一致。

2.2 電壓比較器

 

這部分電壓是電壓比較器的電路原理圖，其中R6的作用是上拉電阻，提高運放的輸出能力。

通過R4與R5兩個電阻進(jìn)行分壓。得到測量電壓的三分之一與PWM調(diào)節(jié)出來的電壓進(jìn)行比較。通過連續(xù)不斷的條件PWM的占空比，并檢測運放的輸出，當(dāng)功放輸出電平出現(xiàn)正好反向時，此時的運放的正級輸入就可以認(rèn)為與三分之一的測試電壓相同。通過該原理得到需要測量電壓的值。

3. 軟件設(shè)計

對于PWM測量電壓，需要gpio能夠輸出PWM波。可以直接用gpio輸出高低電平，然后通過計算占空比來進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于君正X1000來說，可以直接利用PWM輸出穩(wěn)定的波形。

然后在比較器輸出引腳，可以將該引腳設(shè)置成一個中斷，當(dāng)中斷發(fā)生時，功放的電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)。通過得到當(dāng)前的PWM占空比，從而計算出此時電池的電量。

代碼可以參考

kernel/drivers/power/pwm-battery.c

通過該方法測量得到的電壓不是很準(zhǔn)確，代碼中的默認(rèn)精度為50mV。如果要調(diào)節(jié)精度，可以修改以下代碼

#define PWM_FREQ (140 * 1000)    //采樣頻率
#define PWM_STABLE_TIME_US 200    
#define PWM_SAMPLE_TIMES 3    //采樣次數(shù)
#define PWM_DUTY_NS_STEP 30    //每次調(diào)節(jié)PWM采樣時間

4. 總結(jié)

在沒有ADC的情況下，可以利用兩個GPIO和一個功放進(jìn)行模擬ADC的設(shè)計。

(1)該方法需要輸出一個穩(wěn)定的PWM波，其占空比需要精確，所以能夠產(chǎn)生一個穩(wěn)定的PWM波是關(guān)鍵。

(2)被測量的電壓需要穩(wěn)定，所以為了其電壓的穩(wěn)定，可以在需要測量的電路部分加一個電容。

 

增加電容C162可以讓電平更加的平穩(wěn)，采集的電壓更加精確。

(3)可多次ADC轉(zhuǎn)換求平均值，進(jìn)行數(shù)字濾波消除誤差。