大连交通大学2014届本科生毕业论文外文翻译
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一、脉冲宽度调制
脉冲宽度调制（PWM），是一种在一定的脉冲持续时间内，基于调制信号来追踪所希望达到的脉冲宽度的调制方式。虽然这种调制技术经常用于对传输信息进行编码，但是它主要的用途是控制电源装置供电到电气设备，特别是对惯性负载的供电，如电动机等。此外，PWM还是光伏太阳能电池充电器中使用的两种主要算法之一。
通过快速的转换对电源和负载之间的开关的开断进行控制，将电压的平均值（和电流）供给到负载。与开关较长的打开时相比，关断期间供给到负载的功率较高。
PWM的开关频率必须要高于负载的启动频率，也就是说，要使装置在有用功区工作。通常在电炉中，开关会在一分钟内多次切换，在一盏灯光衰减器中会达到120Hz，从几千赫兹（kHz）到几十千赫兹的电机驱动器和顺利进入几十或几百kHz的音频放大器和电脑电源供应器。
占空比描述的是持续开启时间与控制周期之比；低占空比时，系统功耗比较低，因为开关大部分时间是关闭的。工作周期用百分比表示，100%是完全工作状态。
PWM的主要优点是，开关器件的功率损耗非常低。当开关处于关闭状态时，可以说没有电流通过；当它打开时，整个开关都没有电压降。因为系统中的功率损耗等于电压和电流的乘积，因此，在这两种情况下系统的功率损耗都接近零。同时PWM技术是通过数字来控制，即通过开关性质的变化来控制，我们可以很方便地设置所需的占空比，使达到的效果更好。
PWM技术也被用在某些通信系统中，其中它的占空比被用来描述通过通信信道传播信息的比例。 二、历史发展
在过去，当只有部分功率是有需求的（例如，对于一个缝纫机马达）时候，一个可变电阻器串联连接的电动机（位于缝纫机的脚踏板）由此产生，它是用来调节流过电机的电流的大小，但电阻元件产生的热量也浪费了很多电源功率。这是一个低效率的方案，但是因为总功率同样很低，所以它也被人所接收。 这是控制功率的几种方法之一。还有其他的一些方案仍然在使用，如仍在使用可变自耦变压器的商标为‘Autrastat’的舞台灯光; 和适用于一般的交流功率调节的自耦变压器。这些都是很有效的设计，但成本也比较昂贵。
大约一个世纪前，一些变速电动机有相当高的工作效率，但他们中有些比恒转速电
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机更复杂，有些需要体积较大的外部电气设备，如可变功率电阻堆栈或旋转转换器，病房伦纳德驱动等。
然而，除了用于风机，泵和机器人伺服系统的电机驱动模块，人们对于如何能更加简洁和低成本的应用于很多可调节功率的设备，还是有很大的需求，如电炉和灯调光器。
PWM的一个早期应用是在辛克莱的X10。在20世纪60年代，一个10瓦的音频放大器应用了这项技术。大约在同一时间，PWM开始在交流电机控制中被使用。 三、原理
图1：一个脉冲波 ，表现出的定义 的值。如果我们考虑的脉冲波形
，
和D。
，高电平
和
脉冲宽度调制采用了矩形脉冲波 ，其脉冲宽度被调制为可以形成变化的平均波形
，以周期 ，低电平
一个占空比 D（见图1），该波形的平均值由下式给出：
如果
是脉冲波，则在 时间内，它的值为
时间内，它的值为
。 上面的表达式就变成了：
；在
在许多情况下，后面的式子还可以简化，比如在
时，
。
由此，显而易见的是该信号的平均值（ ）与占空比D有直接的参数关系。
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图 2：交互式PWM是一种简单的产生对应于给定信号的PWM脉冲波形的方法：用所述信号（这里为红色正弦波）与锯齿波形（蓝色）进行比较。 当后者小于前者，PWM信号（品红色）处于高电平（1）。 否则，它处于低电平（0）。
产生PWM信号的最简单的方法是交互性方法，该方法仅需要一个锯齿或三角形波（使用振荡器容易生成）和一个比较器。当参考信号（图2中的红色正弦波）的值大于所述调制波形（蓝色）时，PWM信号（品红）是在高电平的状态，否则它是在低电平的状态。 四、时间比例
许多数字电路可以产生PWM信号（例如，许多微控制器具有PWM输出端口）。人们通常使用一个周期性的递增计数器（它直接或间接地连接到时钟电路）来产生PWM信号，并且在每个PWM周期结束之后对计数器进行复位。 当计数器值大于参考值，则PWM输出改变状态从高向低（或者从低到高）。 这种技术被称为时间比例，特别是控制一个固定周期中处于高电平状态的时间比例时，这种技术也被称为时间比例控制法。
不断以周期性递增的复位计数器产生的离散的交叉锯齿波。交叉方法的模拟比较器将当前计数器的值与数字参考值做了一个全面的比较。由计数器分辨率的函数可知，占空比仅在离散时间内变化。然而，高分辨率计数器同样可以产生令人相当满意的效果。 五、PWM采样定理
PWM转换的过程是非线性的，一般假设PWM中的低通滤波器的信号恢复过程是不完善的。 PWM的采样定理表明，PWM转换可以是完美的。该定理指出：任何有限基带信号±0.637都可通过脉冲宽度调制单元的振幅（PWM）波形来表示。脉冲波形的数量等于奈奎斯特的采样数量，并且对峰值的约束不依赖于波形是二级还是三级。
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六、电力输送
PWM可被用于不产生由于通过电阻装置的线性功率输送而产生的损耗时，对传输到负载的功率进行控制。其潜在的缺点是，该技术是用占空比来约束脉动，开关频率和负载的性质。具有足够高的开关频率，并在需要使用额外的无源电子滤波器时，脉冲序列是平滑的，平均模拟波形可以恢复。
高频率的PWM电源控制系统很容易与半导体开关组合实现。如上面所解释的，在开关的打开或关闭状态下，系统几乎没有电力接入。然而，在开和关状态的转换时，电压和电流都为零，因而功率消耗主要集中在开关损耗。通过在完全开通或完全关闭（通常小于100纳秒）的状态之间快速切换，通过交换机传递到负载的功率是相当低的。
现代半导体开关都是是良好的高效率的控制器适合组件，例如MOSFET或绝缘栅双极晶体管（IGBT的）。通过使用变频器来控制交流电动机可以使其有效功率超过98%。由于输出的为低电平，开关电源只有较低的效率，（通常对于微处理器来说，低于2V是所需要的），但仍可以达到超过70％-80％的效率。
计算机中的变速风扇控制器通常使用PWM技术，因为它比电位计或者变阻器更有效率。（即使后者是通过电子方式运作，也需要一个小的驱动电机）。
调光器是人们在家中使用的一种特殊的使用PWM技术的装置。家庭用的调光器通常包含有电子电路，该电路在交流电线路电压的每个周期的定义部分会抑制电流的波动。调整光源发射光的亮度，然后只是改变在交流电的半个周期内电压（或相位）的设置，调光器开始提供电流给光源（例如，通过使用电子开关，如三端双向可控硅 ）。在这种情况下，PWM占空比的导通时间为通过交流电的线电压（50赫兹或60赫兹，取决于国家要求）的频率所定义的半个交流电周期时间的比率。 七、主要应用： 交换式电源供应器
PWM也用于有效电压调节器。通过切换电压施加到负载的大小与适当的占空比，输出的电压将近似的达到所期望的值。通常用一个感应器和一个电容器来过滤开关噪声。
一种测量输出电压的方法。在输出电压低于所期望的电压的情况下，会使开关导通。当输出电压高于期望的电压时，会使开关断开。
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音频效果和放大
PWM技术有时用于声音（音乐）的合成，尤其是减法合成 ，因为它给了类似于合唱的声音效果或稍微降低了振荡器的震荡（实际上，PWM相当于2的差异的锯齿状波与它们中的一个倒置）。人们通常用低频振荡器来控制在高电平和低电平之间切换的比例。此外，变化的脉冲波形的占空比在减色合成仪产生有用的音色的变化。有些合成器用一个占空比微调装置来控制输出的方波，并且微调装置可以通过听觉来设置， 因为偶次谐波基本消失了50％，所以有50％部分（真正的方波）是与其他部分不同的。脉冲波的比例通常为50％，25％和12.5％，由此构成了经典电影原声配乐 。
一类新的基于PWM原理的音频放大器越来越受欢迎。即所谓的“ D类放大器 “，它们将产生一个PWM等效的模拟输入信号，该信号通过一个适当的滤波器网络被传送到扬声器，以阻止载流子的通过并恢复原始的音频。这些放大器的特点是拥有非常好的效能表现（≥90％）和紧凑的尺寸/重量轻的大功率输出。几十年来，工业和军事的PWM放大器已被普遍使用，通常用于驱动伺服电机。磁共振成像机中的现场梯度线圈就是通过高功率PWM放大器来驱动的。
从历史上看，一些初级的PWM技术已被用于回放PC扬声器上的PCM数字声音 ，这种驱动仅有两个电压电平，通常为0伏和5 V。通过仔细定时的脉冲持续时间，并依靠扬声器的物理的过滤性能（有限的频率响应，自感等），虽然音色质量很差，并且与实现之间大大不同的结果，但还是可以获得单声道的近似于PCM样值的表现。
在最近一段时间，人们发明了直接数字流的声音编码方法，它采用了脉冲宽度调制的一般化形式，称为脉冲密度调制，以足够高的采样率（通常在MHz的数量级），覆盖整个声频范围，使声音具有足够的保真度。现在，这种方法被应用在SACD格式，并且这种编码音频信息的方式的产生与此方法在D类放大器中的应用十分相似。
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