有一個測量位置變化的位置傳感器，用萬用表電壓檔測量傳感器的輸出信號，結(jié)果顯示的是模擬量信號，即位置和信號輸出大小呈線性關(guān)系。但是，用示波器（Picoscope 4227）測量傳感器的輸出信號，顯示的卻是 PWM 信號（脈寬調(diào)制），即位置不同，輸出 PWM 信號的占空比不同。

PWM 信號的參數(shù)是：200 Hz， 低電平為 0V，高電平為 18V。

現(xiàn)在可以確定，我的傳感器輸出信號是 PWM 信號。PWM 信號需要輸入到控制器 I/O 中，但是控制器 I/O 口不具備直接采集 PWM 信號的功能。

解決方案

設(shè)計個電路，將 PWM 信號轉(zhuǎn)化為模擬量信號，然后將轉(zhuǎn)換后的模擬量信號輸入到控制器模擬量 I/O 口。

轉(zhuǎn)換電路

1. 二階壓控有源低通濾波電路。

設(shè)計一個深度濾波電路。濾波電路圖為：

低通濾波頻率公式為：f=1/（2π*RC），我最后選擇 R=1K，C=10uf，算出的低通截止頻率 f=15.9HZ。

濾波電路后端是一個運算放大器，放大倍數(shù)公式：A=1+Rf/R1。我不希望電壓被放大，所以我選擇 A=1.1。又因為 R1//Rf=2R（R1，Rf 兩者并聯(lián)的值等于 R 串聯(lián)值），最終：Rf=220 歐，R1=2.2k，R=1k。

2. 積分電路（無源濾波電路）

低通濾波電路前面是一個二級積分電路（將兩個電容都接地），R=1K，C=10uf。下圖是一級積分電路，設(shè)計的積分電路是將兩個下圖電路串聯(lián)構(gòu)成二級積分積分：

為驗證電路效果進行的測試，我使用的設(shè)備是 PicoScope4227，由于該設(shè)備最大只能生成正負 1V 的電壓信號，就生成了幅值為 1V（低電平 0V，高電平 1V），頻率為 200HZ 的 PWM 信號作為積分電路的輸入信號。各種效果圖如下：

示波器直接采集發(fā)生器生成的 PWM 信號，波形如下：

示波器從二階濾波電路輸入端采集信號，波形如下。發(fā)現(xiàn)該號波形與上圖的波形相比已經(jīng)發(fā)生了變化。

示波器從一階濾波電路輸出端中采集到的信號波形，即濾波電路從左往右數(shù)，第一個電阻與第一個電容交點的輸出波形：

濾波器從二階濾波電路輸出端采集到的信號波形，即最終輸出信號波形

最終輸出波形的參數(shù)。

問題

1：為什么萬用表電壓檔測量傳感器輸出信號，結(jié)果是模擬量信號，而示波器看到的是 PWM 信號？我該相信哪個結(jié)果？

答：這個問題牽涉到測量輸入口的分辨率問題。萬用表輸入口的分辨率低（通過此例看低于 200HZ），而示波器輸入口的分辨率高，可達幾千，甚至幾兆赫茲頻率，所以輸出的結(jié)果不同。我們要相信示波器顯示的結(jié)果。我理解 PWM 信號本質(zhì)還是希望達到模擬量的效果，只是表現(xiàn)形式不同。

2：關(guān)于計算公式

答：在低通濾波電路中，有個頻率公式 f=1/（2π*RC）， 它計算的是低通截止頻率（-3dB）。而在積分電路中，有個公式 T=RC。 這個 T 是指電容充放電需要的時間。選取 T 時，根據(jù)一般經(jīng)驗公式，T》10 * T‘（T’表示信號周期）。

在本例的積分電路中，RC=10ms，只有兩倍的信號周期，但是通過測試，信號效果還是比較理想的。如果將更多的積分電路串聯(lián)，效果會更好。

3：PWM 信號被控制器采集還有其他方案嗎？

答：方案一：將 PWM 信號倍頻，就是提高 PWM 信號的頻率，但是占空比不變化。PWM 倍頻后的頻率大于控制器 I/O 的分辨率，就可以被控制器默認為做模擬量，從而可以輸入到模擬量 I/O。

方案二：通過軟件辦法計算 PWM 的占空比。在控制器中編寫程序，首先定時，測量這段時間內(nèi) PWM 信號中高電平的時間，從而計算出占空比。
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