PWM实现ADC采集电量原理

1. 说明

对于没有ADC的主控芯片来说，如果要实现ADC的功能，可以用两个GPIO和一个运算放大器解决该问题。对于某些国产芯片来说，其内部没有ADC，所以在有些方案上采用的是PWM电路进行模拟电压的测量。接下来逐步分析一下基本的原理与采集过程。

2.基本原理

利用积分电路，通过调节PWM的占空比，将PWM变成平滑的电压输出。然后与需要测量的电压用比较器进行比较。不断调节PWM的占空比，当比较器的输出从0到1时，正好变化时，记录当前的PWM的占空比即可实现模拟电压的测量。

2. 硬件原理图

2.1 积分电路

该部分电路的作用主要是将PWM波转换成一个平滑的直线。

由于电容两端的电压不能突变，这里采用三阶积分电路，使得输出到比较器的电压是一个平滑的直流电压。

计算公式

输入为100K，振幅为3.3V的PWM波。当占空比为70%时，此时的输出波形为一个平滑的直流电压，根据计算公式，得到理论值为2.31V与仿真得到的2.325V基本保持一致。

2.2 电压比较器

这部分电压是电压比较器的电路原理图，其中R6的作用是上拉电阻，提高运放的输出能力。

通过R4与R5两个电阻进行分压。得到测量电压的三分之一与PWM调节出来的电压进行比较。通过连续不断的条件PWM的占空比，并检测运放的输出，当功放输出电平出现正好反向时，此时的运放的正级输入就可以认为与三分之一的测试电压相同。通过该原理得到需要测量电压的值。

3. 软件设计

对于PWM测量电压，需要gpio能够输出PWM波。可以直接用gpio输出高低电平，然后通过计算占空比来进行调节。对于君正X1000来说，可以直接利用PWM输出稳定的波形。

然后在比较器输出引脚，可以将该引脚设置成一个中断，当中断发生时，功放的电平发生翻转。通过得到当前的PWM占空比，从而计算出此时电池的电量。

代码可以参考

kernel/drivers/power/pwm-battery.c

通过该方法测量得到的电压不是很准确，代码中的默认精度为50mV。如果要调节精度，可以修改以下代码

#define PWM_FREQ (140 * 1000)    //采样频率
#define PWM_STABLE_TIME_US 200    
#define PWM_SAMPLE_TIMES 3    //采样次数
#define PWM_DUTY_NS_STEP 30    //每次调节PWM采样时间

4. 总结

在没有ADC的情况下，可以利用两个GPIO和一个功放进行模拟ADC的设计。

(1)该方法需要输出一个稳定的PWM波，其占空比需要精确，所以能够产生一个稳定的PWM波是关键。

(2)被测量的电压需要稳定，所以为了其电压的稳定，可以在需要测量的电路部分加一个电容。

增加电容C162可以让电平更加的平稳，采集的电压更加精确。

(3)可多次ADC转换求平均值，进行数字滤波消除误差。

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