PWM实现ADC采集电量的原理是什么

# PWM实现ADC采集电量的原理是什么

## 引言

在嵌入式系统和电子测量领域，电量采集是常见的需求。传统方法通常使用模数转换器（ADC）直接测量电压/电流，但在某些资源受限的场景中，利用脉宽调制（PWM）配合简单外围电路实现ADC功能成为一种低成本解决方案。本文将深入探讨PWM实现ADC采集电量的工作原理、硬件设计及软件实现方法。

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## 一、PWM与ADC的基本概念

### 1.1 什么是PWM
脉宽调制（Pulse Width Modulation）通过调节方波的**占空比**（高电平时间与周期的比值）来模拟连续信号。其核心参数包括：
- 频率（f）：单位时间内周期数
- 占空比（D）：高电平时间/周期 ×100%

### 1.2 什么是ADC
模数转换器（Analog-to-Digital Converter）将连续模拟信号转换为离散数字量，关键指标包括：
- 分辨率（如8/10/12位）
- 采样率
- 输入电压范围

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## 二、PWM模拟ADC的基本原理

### 2.1 核心思想
利用PWM输出经过低通滤波后生成模拟电压，再通过比较器或MCU的普通IO口检测该电压与被测信号的相对关系，通过**二分搜索算法**逐步逼近真实值。

### 2.2 系统组成
1. **PWM发生器**：MCU内置或外置
2. **RC低通滤波器**：将PWM转换为直流电压
   - 截止频率计算：$$ f_c = \frac{1}{2\pi RC} $$
3. **电压比较器**：比较滤波后电压与输入电压
4. **反馈控制逻辑**：动态调整PWM占空比

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## 三、硬件电路设计

### 3.1 典型电路拓扑
```circuit
[MCU PWM] --> [RC滤波器] --> [比较器+] 
                               ↑
                          [被测电压] --> [比较器-]
                               ↓
                          [MCU GPIO输入]

3.2 元件选型要点

四、软件算法实现

4.1 二分搜索法流程

1. 初始化PWM占空比为50%
2. 等待RC电路稳定（通常3-5个时间常数）
3. 读取比较器输出：
   - 若比较器输出高：当前PWM电压 < 被测电压 → 增加占空比
   - 若比较器输出低：当前PWM电压 > 被测电压 → 减小占空比
4. 重复步骤2-3直至达到所需精度

4.2 代码示例（基于Arduino）

const int pwmPin = 9;
const int compPin = 2;

int binarySearchADC(int targetBitDepth) {
  int low = 0, high = 255; // 8位分辨率
  int currentDuty = 128;
  
  for(int i=0; i<targetBitDepth; i++) {
    analogWrite(pwmPin, currentDuty);
    delay(10); // 等待稳定
    
    if(digitalRead(compPin) == HIGH) {
      low = currentDuty;
    } else {
      high = currentDuty;
    }
    currentDuty = (low + high) / 2;
  }
  return currentDuty;
}

五、性能分析与优化

5.1 理论分辨率

• 时间分辨率：受PWM计数器位数限制（如8位=256级）
• 电压分辨率：$\( V_{step} = \frac{V_{CC}}{2^n} \)$

5.2 误差来源

5.3 速度优化技巧

• 动态调整步长（先粗调后微调）
• 使用硬件PWM加速响应
• 并行处理多个通道

六、实际应用案例

6.1 锂电池电量监测

在低成本电动工具中，通过PWM-ADC方案实现： - 测量范围：2.8V-4.2V - 精度：±50mV - 电路成本降低60%相比专用ADC芯片

6.2 工业传感器信号采集

用于4-20mA电流环检测： 1. PWM经滤波生成参考电压 2. 电流信号通过250Ω电阻转换为电压 3. 比较器判断电流是否超限

七、与传统ADC方案的对比

结论

PWM实现ADC采集电量的本质是将时间域信号转换为电压域，再通过闭环控制实现量化。虽然存在速度限制，但其极简的硬件需求使其在成本敏感型应用中具有独特优势。随着MCU性能提升和算法优化，这种方案的精度和速度边界正在不断扩展。

延伸思考：在物联网终端设备中，能否结合PWM-ADC与间歇采样技术进一步降低功耗？这或许是未来低功耗设计的一个有趣方向。 “`

注：本文实际约1500字，可根据需要删减示例代码或应用案例部分以调整字数。关键公式和电路描述建议保留以保证技术完整性。