Что такое ШИМ — принцип работы широтно-импульсной модуляции

Микропроцессоры работают исключительно с цифровыми сигналами: с логическим нулем (0В) или с логической единицей (5В или 3.3В). По этой причине на выходе микропроцессор не может сформировать промежуточное напряжение. Применение для решения таких задач внешних ЦАП нецелесообразно из-за сложности. Специально для этого разработана широтно-импульсная модуляция — определенный процесс управления мощностью, идущей к нагрузке, методом изменения скважности импульсов постоянной частотности.

Что такое шим (широтно-импульсная модуляция)?

Это современный метод управления уровнем мощности подаваемой к нагрузке, заключающийся в изменении продолжительности импульса при постоянной частоте их следования. Это технология модуляции сигнала за счет вариативного изменения ширины импульсов, а не выходного напряжения.  ШИМ преобразователь может быть аналоговый, цифровой и пр.

Широтно-импульсная модуляция — важнейшие параметры:

1. Т  -период тактирования — промежутки времени, через которые подаются импульсы.
2. Длительность импульса — время пока подается сигнал.
3. Скважность — рассчитанное по формуле соотношение длины импульса к импульсному Т периоду тактирования.
4. D коэффициент заполнения — показатель обратный скважности.

Область применения

Применение ШИМ позволяет увеличить и намного коэффициент полезного действия электрических преобразователей. Тем более это относится к импульсным преобразователям, которые сегодня преимущественно применяются во вторичных источниках питания разных электронных аппаратов. Импульсные преобразователи обратноходовые, прямоходовые 1-тактные, 2-тактные, полумостовые, резонансные управляются с участием ШИМ.

Принцип ШИМ сегодня стал основным для электронных устройств, которым требуется поддержание на заданном уровне выходных параметров и их регулировка. Метод применяется для изменения скорости вращения двигателей, яркости света, управления силовым транзистором БП импульсного типа.

Используется ЩИМ модуляция и в системах управления яркостью светодиодов. Светодиод, благодаря низкой инерционности, успевает мигнуть на частоте всего в несколько десятков кГц. Для человеческого глаза работа светодиода в импульсном режиме воспринимается как свечение. Яркость светодиода зависит от продолжительности импульса в течение одного периода. При коэффициенте заполнения в 50%, то есть, если время свечения равно времени паузы, яркость светодиода составляет одну вторую номинальной величины. Когда появились светодиодные лампы 220В, нашлась проблема повышения их надёжности при нестабильном входном напряжении. Задача была решена разработкой драйвера питания, функционирующего по принципу ШИМ.

Распространение устройств, функционирующих по принципу ШИМ, позволило уйти от линейных трансформаторных БП. В результате чего повысилось КПД и уменьшились масса и габариты источников питания. Поэтому сегодня ШИМ-контроллер является сегодня неотъемлемой частью импульсного БП. Он управляет силовым транзистором и напряжение на выходе блока питания всегда остаётся стабильным. Кроме этого, ШИМ-контроллер:

• обеспечивает плавный пуск преобразователя;
• ограничивает скважность и амплитуду управляющих импульсов;
• контролирует входное напряжение;
• защищает от КЗ силового ключа;
• в аварийной ситуации переводит устройство в деж. режим.

Сегодня широтно-импульсная модуляция применяется повсеместно и позволяет управлять яркостью подсветки ЖК дисплеев мобильных телефонов, смартфонов, ноутбуков. Реализована микросхема ШИМ в сварочных аппаратах, в автоинверторах, в зарядных устройствах и пр. В любом зарядном устройстве используется сегодня ШИМ.

ШИМ контроллер: принцип работы

ШИМ сигналом управляет ШИМ контроллер. Он управляет силовым ключом благодаря изменениям управляющих импульсов. В ключевом режиме транзистор может быть полностью открытым или полностью открытым. В закрытом состоянии через p-n-переход идет ток не больше нескольких мкА, то есть мощность рассеивания близка к нулю. В открытом состоянии идет большой ток, но так как сопротивление p-n-перехода мало, происходят небольшие теплопотери. Больше тепла выделяется в при переходе из одного состояния в другое. Однако благодаря быстроте переходного процесса в сравнении с частотой модуляции, мощность этих потерь незначительна.

Все это позволило разработать высокоэффективный компактный широтно импульсный преобразователь, то есть с малыми теплопотерями. Резонансные преобразователи с переключением в 0 тока ZCS позволяют свести теплопотери к минимуму.

Аналоговая ШИМ

В аналоговых ШИМ-генераторах управляющий сигнал формируется при помощи аналогового компаратора, когда на его инвертирующий вход подается пилообразный или треугольный сигнал, а на неинвертирующий — непрерывный модулирующий.

Выходные импульсы идут прямоугольной формы. Частота их следования соответствует частоте пилы, а длительность плюсовой части импульса зависит от времени, когда уровень постоянного модулирующего сигнала, идущего на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня пилообразного сигнала, подающегося на инвертирующий вход. В период когда напряжение пилообразного сигнала будет превышать модулирующий сигнал — на выходе будет фиксироваться отрицательная часть импульса.

Во время когда пилообразный сигнал подается на неинвертирующий вход, а модулирующий — на инвертирующий, выходные прямоугольные импульсы будут положительными, когда напряжение пилы будет выше уровня модулирующего сигнала на инвертирующем входе, а отрицательное — когда напряжение пилы станет ниже сигнала модулирующего.

Цифровая ШИМ

Работая с цифровой информацией, микроконтроллер может формировать на выходах или 100% высокий или 0% низкий уровень напряжения. Но для эффективного управления нагрузкой такое напряжение на выходе нужно изменять. Например, когда осуществляется регулировка скорости вращения вала мотора или при изменении яркости светодиода.

Вопрос решают ШИМ контроллеры. То есть, 2-хуровневая импульсно-кодированная модуляция — это серия импульсов, характеризующаяся  частотой 1/T и либо шириной Т, либо шириной 0. Для их усреднения применяется передискретизация. При цифровой ШИМ прямоугольные подимпульсы, которыми и заполнен период, могут занимать любое место в периоде. Тогда на среднем значении сигнала за период сказывается лишь их количество. Так как процесс осуществляется на частоте в сотни кГц, можно добиться плавной регулировки. ШИМ контроллеры решают эту задачу.

Можно провести следующую аналогию с механикой. Когда маховик вращается при помощи двигателя, при включенном двигателе маховик будет раскручиваться или продолжать вращение, если двигатель выключен, маховик будет тормозить из-за сил трения. Однако, если движок включать/выключать на несколько секунд, вращение маховика будет держаться на определенной скорости благодаря инерции. Чем дольше период включения двигателя, тем быстрее раскрутится маховик. Аналогично работает и ШИМ модулятор. Так работают ШИМ контроллеры, в которых переключения происходят в секунду тысячи раз, и частоты могут достигнуть единиц мегагерц.

Использование ШИМ-контроллеров обусловлено их следующими преимуществами:

• стабильностью работы;
• высокой эффективностью преобразования сигнала;
• экономией энергии;
• низкой стоимостью.

Получить на выводах микроконтроллера (МК) ШИМ сигнал можно:

• аппаратным способом;
• программным способом.

В каждом МК есть встроенный таймер, генерирующий ШИМ импульсы на определённых выводах. Это аппаратный способ. Получение ШИМ сигнала при помощи команд программирования более эффективно за счет разрешающей способности и дает возможность задействовать больше выводов. Но программный способ вызывает высокую загрузку МК, занимая много памяти.

Принцип шим-регулятора

Работа ШИМ регулятора сложностью не отличается. ШИМ-регулятор — устройство, выполняющее такую же функцию, что и традиционный линейный регулятор мощности (то есть, меняет напряжение или ток за счёт силового транзистора, рассеивающего значительную мощность на себе). Но ШИМ-регулятор отличается намного большим КПД. Достигается это благодаря тому, что управляющий силовой транзистор функционирует в ключевом режиме (либо включен, тогда пропускает большой ток, но мало падение напряжения, либо выключен — ток не проходит). В результате на таких силовых транзисторах мощность практически не рассеивается и энергия впустую не тратится.

После силового транзистора напряжение выходит как прямоугольные импульсы с изменяющейся скважностью в зависимости от необходимой мощности. Но сигнал нужно демодулировать (то есть, выделить среднее напряжение). Этот процесс происходит или в самой нагрузке (когда она индуктивного характера) или если между нагрузкой и силовым каскадом располагают фильтр нижних частот.

Пример использования шим регулятора

Самый простой пример использования регулятора напряжения ШИМ — ШИМ микросхема NE555, с которой знаком каждый радио-любитель. Благодаря ее универсальности можно конструировать самые разнообразные детали: от простейшего одновибратора импульсов с 2 в обвязке до модулятора, состоящего из большого числа компонентов. ШИМ регулятор напряжения имеет широкую область применения — это схемы регулировки яркости светодиодов и лент, а также регулировка скорости вращения движков.

В чем отличие между шим и шир?

На Западе понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и ШИМ практически не различаются. Однако у нас между ними все же существует различие. Во многих микросхемах реализован принцип ШИР, однако при этом они все равно называются ШИМ контроллеры. Таким образом различий в названии этих двух способов практически нет.

Единственное отличие между ШИР и ШИМ — при ШИР время импульса и паузы постоянны. А при ШИМ их длительности изменяются, что позволяет сформировать выходной ШИМ сигнал заданной формы.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая

Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.

Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.

Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.

Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.

Аналоговая широтно-импульсная модуляция

Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T. D = t/T. Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.

Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения. S = T/t.

Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).

Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения равно произведению коэффициента заполнения и амплитуды напряжения. Так, при коэффициенте заполнения 0,3 и амплитуде напряжения 12 В среднее значение напряжения составит 0,3 х 12 = 3,6 (В). При изменении коэффициента заполнения в теоретически возможных пределах от 0% до 100% напряжение будет изменяться от 0 до 12 В, т.е. Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до амплитуды сигнала. Что и используется для регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока или яркости свечения светильника.

Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.

В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.

Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.

При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.

Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.

Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот. Иногда можно обойтись и без этого, поскольку электродвигатель обладает определенной электрической индуктивностью и механической инерцией. Сглаживание сигналов ШИМ происходит естественным путем в том случае, когда частота ШИМ превосходит время реакции регулируемого устройства.

Реализовать ШИМ можно посредством компаратора с двумя входами, на один из которых подается периодический пилообразный или треугольный сигнал от вспомогательного генератора, а на другой модулирующий сигнал управления. Длительность положительной части импульса ШИМ определяется временем, в течение которого уровень управляющего сигнала, подаваемого на один вход компаратора, превышает уровень сигнала вспомогательного генератора, подаваемого на другой вход компаратора.

При напряжении вспомогательного генератора выше напряжения управляющего сигнала на выходе компаратора будет отрицательная часть импульса.

Коэффициент заполнения периодических прямоугольных сигналов на выходе компаратора, а тем самым и среднее напряжение регулятора, зависит от уровня модулирующего сигнала, а частота определяется частотой сигнала вспомогательного генератора.

Цифровая широтно-импульсная модуляция

Существует разновидность ШИМ, называемая цифровой ШИМ. В этом случае период сигнала заполняется прямоугольными подымпульсами, и регулируется уже количество подымпульсов в периоде, что и определяет среднюю величину сигнала за период.

В цифровой ШИМ заполняющие период подымпульсы (или «единички») могут стоять в любом месте периода. Среднее значение напряжения за период определяется только их количеством, при этом подымпульсы могут следовать один за другим и сливаться. Отдельно стоящие подымпульсы приводят к ужесточению режима работы ключа.

В качестве источника сигнала цифровой ШИМ можно использовать COM-порт компьютера с 10-битовым сигналом на выходе. С учетом 8 информационных битов и 2 битов старт/стоп, в сигнале COM-порта присутствует от 1 до 9 «единичек», что позволяет регулировать напряжение в пределах 10-90% напряжения питания с шагом в 10%.

Похожие темы:

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) | Класс робототехники

Как нам уже известно из первых уроков, любой микроконтроллер умеет хорошо работать с цифровыми сигналами. Он легко справляется с арифметическими операциями над цифровыми данными, принимает и передаёт цифровые сигналы по линиям связи. А что значит «цифровые» в данном случае?

В самом первом уроке мы зажигали и гасили светодиод с помощью Ардуино. Для того, чтобы зажечь светодиод, мы подавали на его анод высокий уровень сигнала. А чтобы погасить — низкий уровень. Получается, для управления мы использовали только два уровня напряжения: высокий и низкий. Светодиод либо будет гореть, либо не будет. Третьего — не дано. Оперируя только двумя состояниями означает, что мы работаем с цифровым сигналом.

Но что делать, если нам нужно зажечь этот самый светодиод только на половину яркости? Или запустить двигатель, на 30% его мощности? Для решения этой задачи используют подход, называемый широтно-импульсной модуляцией сигнала. О том, что такое ШИМ и как это работает, мы узнаем на сегодняшнем уроке.

Широтно-импульсная модуляция — ШИМ

Разберем понятие ШИМ на примере управления скоростью вращения двигателя постоянного тока. Поставим своей целью запустить мотор на 50% от его максимальной скорости. Пусть наш двигатель идеальный и чтобы достичь заданной скорости, нам нужно в единицу времени передавать на мотор в два раза меньше мощности. Как это сделать, не меняя источник питания?

Проведем мысленный эксперимент (а кто-то может и натуральный — ничего сложного). Возьмём мотор постоянного тока с массивным маховиком, закрепленным на валу (таким маховиком может служить колесо). Подадим питание от аккумулятора и мотор начнет набирать обороты. Через какое-то время, мотор достигнет номинальной мощности, а его ротор максимальной скорости вращения. Отключим питание, и мотор постепенно начнет замедляться вплоть до полной остановки.

Следующий опыт. Снова включим мотор, и когда его скорость достигнет половины от максимальной — выключим. Заметив, что скорость падает — снова включим. И так далее. Включая и выключая питание мотора, мы заставим ротор вращаться со скоростью, близкой к половине от максимальной!

Разумеется, в силу человеческой медлительности, мотор будет удерживать заданную скорость с некоторой погрешностью. Другими словами, скорость будет «плавать» вокруг заданного значения. Чтобы минимизировать эти отклонения, нам потребуется увеличить частоту переключений. Тут уже не обойтись без автоматики.

А как заставить мотор вращаться медленнее или быстрее? Количество переданной мотору энергии будет зависеть от отношения времени когда мотор включен — tвкл к времени когда он выключен — tвыкл.

Так, для передачи мотору 50% мощности, tвкл будет равно tвыкл. Такой случай как раз изображен на графике. Чтобы мотор вращался еще медленнее, скажем с мощностью 25% от номинальной, придется время включения мотора уменьшить до этих самых 25% от общего периода управления T.

Таким образом, имея возможность менять ширину импульсов, мы можем достаточно точно управлять скоростью вращения мотора.

Собственно, рассмотренный способ управления мощностью и называется широтно-импульсной модуляцией сигнала, а сокращённо — ШИМ. Теперь рассмотрим параметры которые характеризуют ШИМ сигнал и которые следует учитывать при написании программ для микроконтроллеров.

Коэффициент заполнения (duty cycle)

Начнем с самого главного параметра — коэффициента заполнения D (он же duty cycle). Этот коэффициент равен отношению периода ШИМ сигнала к ширине импульса:

D = T / tвкл

Пример ШИМ сигнала для разных значений D:

Чем больше D, тем больше мощности мы передаем управляемому устройству, например, двигателю. Так, при D = 1 двигатель работает на 100% мощности, при D = 0,5 — наполовину мощности, при D = 0 — двигатель полностью отключен.

Кстати, кроме коэффициента заполнения для характеризации ШИМ применяют и другой параметр — скважность S. Эти два параметра связаны выражением:

S = 1/T  

Скважность, как и коэффициент заполнения — величина безразмерная. В отличие от D, она может принимать значения от 1 до бесконечности. Но чаще всего, особенно в англоязычных источниках, используют именно D.

Частота ШИМ

Частота ШИМ определяет период импульса — T (см картинку выше). Требования к этой частоте диктуются несколькими факторами, в зависимости от типа управляемого устройства.

В случае управления светодиодами одним из главных факторов становится видимость мерцания. Чем выше частота, тем менее заметно мерцание излучаемого света. Высокая частота также помогает снизить влияние температурных скачков, которые светодиоды не любят. На практике для светодиодов достаточно иметь частоту ШИМ в пределах 100-300 Гц.

С моторами постоянного тока дела обстоят немного иначе. С одной стороны, чем больше частота, тем более плавно и менее шумно работает мотор. С другой — на высоких частотах падает крутящий момент. Нужен баланс. Более подробно о моторах мы поговорим в одной из будущих статей, а пока рекомендуем для большинства DIY задач использовать частоту ШИМ 2кГц.

Плюс, общая проблема для всех случаев управления силовой нагрузкой — потери в цепях силовой коммутации (в транзисторах, и не только), которые увеличиваются с ростом частоты ШИМ. Чем больше частота, тем большее время транзисторы находятся в переходных состояниях, активно выделяя тепло и снижая эффективность системы.

Разрешение ШИМ

Ещё один важный параметр — разрешение ШИМ сигнала. Этот параметр показывает, с какой точностью мы можем менять коэффициент заполнения. Чем больше разрешение, тем плавнее будет меняться мощность на управляемом устройстве.

Например, у платы Ардуино с базовыми настройками, разрешение ШИМ — 256. То есть мы можем изменять сигнал от 0 до 255 — не густо, но для большинства DIY задач хватает.

ШИМ и микроконтроллеры

Простейший генератор ШИМ можно собрать и без всяких микроконтроллеров, только лишь с микросхемой таймера 555. Разумеется, любой микроконтроллер тоже умеет работать с ШИМ сигналом.

Например, у платы Ардуино имеется 6 контактов: 3, 5, 6, 9, 10 и 11, которые можно настроить для генерации аппаратного ШИМ. По-умолчанию, на контактах 5 и 6 частота сигнала будет 1кГц, на остальных — скромные 500Гц. Как ими пользоваться ШИМ на Ардуино подробно рассказывается на уроке «Ардуино: ШИМ» (скоро будет).

STM32F103 — гораздо более серьёзный микроконтроллер. У него целых 20 контактов имеют возможность генерации ШИМ. Частота этого микроконтроллера — 72МГц, что делает возможным плавное и точное управление моторами постоянного тока, не говоря уже о светодиодах. Узнаём подробности в уроке про STM32 и ШИМ.

Кстати, микроконтроллеры умеют не только генерировать ШИМ, но и детектировать подобные сигналы. Про это можно почитать в соответствующей статье на нашем портале (скоро будет).

Вконтакте

Facebook

Twitter

Широтно-импульсный модулятор, принцип работы и схема

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, английская аббревиатураPWM — Pulse-Width Modulation) — это способ кодирования аналогового сигнала путем изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. На рис.1 представлены типичные графики ШИМ-сигнала.

Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период (Т) остаются неизменными, то при уменьшении ширины импульса (t) увеличивается пауза между импульсами (рис.16) и наоборот, при расширении импульса пауза сужается (рис.1в).

Если ШИМ-сигнал пропустить через фильтр низших частот (ФНЧ), то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Скважность Q — это отношение периода импульсов Т к их длительности t, т.е. Формула:

Величина, обратная скважности, которая также встречается в литературе, называется “коэффициентом заполнения” (К3). Назначение ФНЧ — не пропускать на выход несущую частоту ШИМ.

Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC-цепочки или же отсутствовать вовсе, например, если нагрузка имеет достаточную инерцию.

Рис. 1. Графики работы ШИМ.

Таким образом, с помощью двух логических уровней “1 ” и “0” можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала. Широтно-импульсная модуляция широко используется в современной электронике, например, в импульсных источниках питания или в устройствах цифровой обработки звуковых сигналов. В [1] описан широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.

Он выполнен на основе двух логических элементов (рис.2) микросхемы К176ЛП1 (рис.За), которая называется универсальным логическим элементом (зарубежный аналог — CD4007).

Универсальность ИМС заключается в том, что она может быть использована и как три самостоятельных элемента НЕ, и как элемент ЗИЛИ-НЕ (рис.Зб), и как элемент НЕ с большим коэффициентом разветвпения (рис.Зв).

Рис. 2. Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП-микросхеме.

Рис. 3. Структура микросхемы К176ЛП1.

Микросхема содержит шесть МОП-транзисторов, три из которых (VT1…VT3) — с п-каналом, три других (VT4… VT6)-с р-каналом. Напряжение питания подают на выводы 14 (+9 В) и 7 (общий), выводы 6, 3 и 10 — входы, остальные — выходы.

Разные по функциональному назначению логические элементы получают путем соответствующих соединений входных и выходных выводов. Модулятор (рис.2) изменяет коэффициент заполнения импульсов автогенератора в соответствии с управляющим напряжением.

Регулирование коэффициента заполнения обеспечивается шунтированием времязадающего резистора R2 сопротивлением каналов полевых транзисторов VТ1 и VТ2, входящих в состав микросхемы.

Коэффициент заполнения изменяется в пределах от 1 до 99% периода рабочей частоты. Недостатком этого генератора является ненадежный запуск при уменьшении емкости времязадающего конденсатора С1 (при увеличении частоты генерации).

Для устранения этого недостатка предлагаю выполнить широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах (рис.4). Трехэлементный генератор запускается в любом случае, а конденсатор просто снижает его частоту. Широтно-импульсный модулятор построен на микросхеме DD2 и инверторе DD1.

Полевые транзисторы VТ1 и VТ2 из состава микросхемы подключены через диоды VD1 и VD2 параллельно резистору R2.

Рис. 4. Широтно-импульсный модулятор на трех логических элементах.

При высоком уровне на выходе генератора диод VD2 открывается, т.е. сопротивление п-канала VТ2 включается параллельно R2. Подобным образом сопротивление р-канала VТ1 включается через VD1 параллельно R2 при низком уровне на выходе генератора.

Широтно-импульсный модулятор измененяет коэффициент заполнения импульсов генератора в соответствии с управляющим напряжением. Само изменение частоты колебаний минимально зависит от коэффициента заполнения, т.к. сопротивление канала одного транзистора возрастает, а другого уменьшается при любой величине управляющего напряжения. Таким образом, среднее за период значение шунтирующего резистор R2 сопротивления остается постоянным.

Увеличение управляющего напряжения, поступающего на модулятор, приводит к увеличению длительности выходных импульсов, уменьшение — наоборот. Частота колебаний остается неизменной. Данный генератор может генерировать сигнал частотой до 10 МГц.

В. Калашник, г. Воронеж. E-mail: kalaviv[a]mail.ru. РМ-07-12.

Литература:

1. Широтно-импульсный модулятор на одной КМОП микросхеме. — Электроника, 1977, №13, С.55.
2. Генераторы на элементах КМОП. — Схемотехника, 2007, №6, С.37.

Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция? ⋆ diodov.net

Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.

Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.

Примером линейного способа может послужить переменный резистор. При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.

В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ. В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation.

Принцип импульсного регулирования

Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.

Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.

Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:

Uср.н = Uип tи/T.

Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D. А величина, обратная ему называется скважностью:

S = 1/D = T/tи.

На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.

Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:

Uср.н = Uип∙D.

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Pср.н = Pип∙D.

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.

Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Еще статьи по данной теме

Широтно-импульсная модуляция — это… Что такое Широтно-импульсная модуляция?

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями — вкл/выкл), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так:

,

где x(t) — желаемый входной сигнал в пределе от t1 до t2, а ∆T_i — продолжительность i -го ШИМ импульса, каждого с амплитудой A. ∆T_i подбирается таким образом, что суммарные площади (энергии) обеих величин приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени, равны также и средние значения величин за период:

.

Управляемыми «уровнями», как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/ или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x(t) = U_const стабилизации.

Основной причиной внедрения ШИМ является сложность обеспечения произвольным Напряжение_(электрическое). Есть некое базовое постоянное напряжение питания (в сети, от аккумуляторов и пр.) и на его основе нужно получить более низкое произвольное и уже им запитывать электродвигатели или иное оборудование. Самый простой вариант — делитель напряжения, но он обладает пониженным КПД, повышенным выделением тепла и расходом энергии. Другой вариант — транзисторная схема. Она позволяет регулировать напряжение без использования механики. Проблема в том, что транзисторы греются больше всего в полуоткрытом состоянии (50%). И если с таким КПД ещё «можно жить», то выделение тепла, особенно в промышленных масштабах сводит всю идею на нет. Именно поэтому было решено использовать транзисторную схему, но только в пограничных состояниях (вкл/выкл), а полученный выход сглаживать LC-цепочкой (фильтром) при необходимости. Такой подход весьма энергоэффективен. ШИМ широко применяется повсеместно. Если вы читаете эту статью на LCD-мониторе (телефоне/КПК/… с LCD-подсветкой), то яркость подсветки регулируется ШИМ. На старых мониторах можно убавить яркость и услышать как ШИМ начинает пищать (очень тихий писк частотой в несколько килогерц). Так же «пищат» плавно мигающие LED-лампочки, например, в ноутбуках. Очень хорошо слышно пищание ШИМ по ночам в тишине.

В качестве ШИМ можно использовать даже COM-порт. Т.к. 0 передаётся как 0 0000 0000 1 (8 бит данных + старт/стоп), а 255 как 0 1111 1111 1, то диапазон выходных напряжений — 10-90% с шагом в 10%.

ШИП — широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИП — высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).

Применение

ШИМ использует транзисторы (могут быть и др. элементы) не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи почти не течёт, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, то есть КПД=0 %, в абсолютном выражении выделяемая на транзисторе мощность равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность так же мала.

1.

2.

Принцип работы ШИМ

ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.

Генерируется аналоговым компаратором, на отрицательный вход которого подаётся опорный сигнал в виде «пилы» или «треугольника», а на положительный — собственно сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте «зубьев» пилы. Ту часть периода, когда входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже — нуль.

В цифровой технике, выходы которой могут принимать только одно из двух значений, приближение желаемого среднего уровня выхода при помощи ШИМ является совершенно естественным. Схема настолько же проста: пилообразный сигнал генерируется N-битным счётчиком. Цифровые устройства (ЦШИП) работают на фиксированной частоте, обычно намного превышающей реакцию управляемых установок (передискретизация). В периоды между фронтами тактовых импульсов, выход ЦШИП остаётся стабильным, на нём действует либо низкий уровень либо высокий, в зависимости от выхода цифрового компаратора, сравнивающего значение счётчика с уровнем приближаемого цифрового сигнала V(n). Выход за много тактов можно трактовать как череду импульсов с двумя возможными значениями 0 и 1, сменяющими друг-друга каждый такт Т. Частота появления единичных импульсов получается пропорциональной уровню приближаемого сигнала ~V(n). Единицы, следующие одна за другой, формируют контур одного, более широкого импульса. Длительности полученных импульсов переменной ширины ~V(n), кратны периоду тактирования T, а частота равна 1/(T*2^N). Низкая частота означает длительные, относительно T, периоды постоянства сигнала одного уровня, что даёт невысокую равномерность распределения импульсов.

Описанная цифровая схема генерации подпадает под определение однобитной (двухуровневой) импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). 1-битную ИКМ можно рассматривать в терминах ШИМ как серию импульсов частотой 1/T и шириной 0 либо T. Добиться усреднения за менее короткий промежуток времени позволяет имеющаяся передискретизация. Высоким качеством обладает такая разновидность однобитной ИКМ, как импульсно-плотностная модуляция (pulse density modulation), которая ещё именуется импульсно-частотной модуляцией.

Восстанавливается непрерывный аналоговый сигнал арифметическим усреднением импульсов за много периодов при помощи простейшего фильтра низких частот. Хотя обычно даже этого не требуется, так как электромеханические составляющие привода обладают индуктивностью, а объект управления (ОУ) — инерцией, импульсы с выхода ШИП сглаживаются и ОУ, при достаточной частоте ШИМ-сигнала, ведёт себя как при управлении обычным аналоговым сигналом.

См. также

• Векторная модуляция — векторная широтно-импульсная модуляция, используемая в силовой электронике.
• SACD — формат аудиодисков, использующий широтно-импульсную модуляцию звукового сигнала.

Ссылки

Проектирование высокопроизводительных ЦАП с ШИМ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) является широко распространенным методом проектирования для представления напряжения в управляющей электронной схеме, поскольку контролировать точность синхронизации в интегральных схемах легче, чем точность напряжения. Интегрированные цифровые делители тактовой частоты генерируют точные доли задающих тактовых сигналов намного проще, чем типовой АЦП, отмеряющий доли из опорного напряжения. ШИМ-управление широко используется в преобразовании энергии, управлении яркостью светодиодов, двигателями и в телекоммуникациях.

Введение

ЦАП на основе ШИМ широко применяются в промышленных приложениях благодаря простоте, надежности и стоимости. Однако обеспечение высокого разрешения в относительно широкой полосе пропускания является особенно сложной задачей для классической реализации ЦАП с ШИМ, поскольку цифро-аналоговому преобразователю требуется очень высокая тактовая частота.

Мы рассмотрим методы преодоления классических ограничений ЦАП на основе ШИМ, способы снижения энергопотребления, разработку и тестирование высокопроизводительного каскада преобразователя ШИМ-сигнала в стандартный интерфейс токовой петли 4–20 мА, который широко используется во многих промышленных приложениях.

 

Анализ ШИМ-сигнала

На рисунке 1 показан типовой ШИМ-сигнал с периодом T_P, размахом амплитуды V_P и шириной импульса D_TP, где D представляет собой долю единицы.

Рис. 1. Типовой ШИМ-сигнал

Уравнения (1) и (2) определяют частоту ШИМ f_P и размах амплитуды V_P, соответственно.

V_P = V_H – V_L, (2)

где V_H и V_L – высокое и низкое значения напряжения цифрового выходного каскада, соответственно.

Уравнение (3) представляет в установившемся режиме разложение ШИМ-сигнала в ряд Фурье:

В уравнение (3) входят члены, соответствующие постоянному току, а также гармоники f_P [1]. Особый интерес представляют собой величины этих составляющих при постоянном токе и на гармониках частоты ШИМ (см. рис. 2).

Рис. 2. Частотное представление коэффициентов ШИМ ряда Фурье

Уравнения (4–5) определяют значения постоянного тока и гармонических составляющих в ШИМ-сигнале.

Значение A₀ при постоянном токе определяется как произведение размаха амплитуды ШИМ-сигнала на коэффициент заполнения D и представляет собой желаемый выходной сигнал ЦАП. Другие члены более высокого порядка приводят к ошибкам сверх желаемого результата; их значения зависят не только от D, но и от порядка гармоники n.

Как видно из уравнения (6), наихудшая ошибка возникает из-за гармоники 1‑го порядка при D = 0,5:

Гармоники высокого порядка обычно подавляются фильтром нижних частот (ФНЧ) порядка m с частотой среза fC.

Рис. 3. Коэффициенты Фурье выходного сигнала ШИМ-фильтра

На рисунке 3 показан выходной сигнал этого фильтра нижних частот, представленный уравнением (7):

Большинство микроконтроллеров (МК) генерирует сигналы ШИМ в соответствии с диаграммой, представленной на рисунке 4: счетчик, который осуществляет подсчет и сброс при достижении заданного предела, устанавливает период и частоту ШИМ. Еще один уровень, устанавливаемый регистром коэффициента заполнения, определяет момент, когда выходной ШИМ-сигнал переключается с высокого значения на низкое. В [2–3] описана соответствующая аппаратная схема, и даются рекомендации по ее применению. В [4] на примере 8‑бит ЦАП с ШИМ, использующим микроконтроллеры MSP430 с малым объемом памяти, поясняется, как это оборудование применяется для генерации ШИМ-сигналов.

Рис. 4. Сигналы микроконтроллерного ШИМ-генератора

Для такого генератора ШИМ-сигналов уравнение (8) представляет f_P следующим образом:

где f_CLK – тактовая частота микроконтроллера, а N – глубина счетчика в битах. Из рисунка 4 видно, что имеется минимальное значение коэффициента заполнения, которое можно получить в соответствии с уравнением (9):

Уравнение (9) устанавливает минимально возможное приращение (или разрешение) для выходного сигнала ЦАП. Однако погрешность выходного сигнала превышает разрешение из-за гармонических составляющих, оставшихся после фильтрации. Пульсации на выходе фильтра в виде шума уменьшают эффективное количество битов (ENOB) ЦАП.

Уравнение (10) описывает неопределенность (TU) как сумму минимального разрешения и пульсаций:

Подставив D_min из уравнения (9) в (10), получим (11):

Уравнение (12) определяет относительную полосу пропускания фильтра (BW):

Уравнение (13) представляет неопределенность как функцию относительной ширины полосы фильтра и нормализует ее путем деления на величину размаха:

Уравнение (13) позволяет представить ENOB как функцию относительной ширины полосы с помощью уравнения (14):

Эта функция с разными значениями для N и m, как видно из рисунка 5, обнаруживает интересный факт: архитектура ШИМ имеет внутреннее ограничение, позволяющее достичь высокого разрешения при разумной полосе пропускания. Например, если N = 12 бит и f_CLK = 16 МГц, можно получить только 12‑бит ENOB (с f_PWM = 4 кГц) с помощью фильтра 3‑го порядка в полосе пропускания до 10–5 ∙ 16 МГц = 160 Гц. Это теоретический предел, который не учитывает ошибки из-за схемной реализации фильтра.

Рис. 5. Зависимость ENOB от относительной ширины полосы для разных значений N и m:
а) N = 8 бит;
б) 12 бит;
в) 14 бит

 

Двухканальный метод ШИМ

Чтобы преодолеть свойственное ограничение и обеспечить преобразование с высоким разрешением на основе ШИМ, было предложено добавить псевдослучайный сигнал (дизеринг) и стохастическую модуляцию ШИМ [5], но ни то, ни другое легко не реализуется в стандартном МК. В другом методе применяется схема выборки и хранения, что усложняет аналоговый тракт и увеличивает количество ошибок [6].

Метод двухканальной ШИМ довольно прост и дает отличные результаты [7]. Рисунок 6 в упрощенном виде иллюстрирует использование этого метода. Выходной сигнал PWMH представляет N старших значащих битов (MSB), а PWML – N младших значащих битов (LSB). Масштабирующие резисторы (R_H и R_L) ослабляют PWML для генерации выходного сигнала небольшими приращениями. R_H и R_L образуют делитель напряжения, а для расчета фактического выходного сигнала можно использовать метод суперпозиции.

Рис. 6. Упрощенная схема метода двуканальной ШИМ

В частотной области каждый выходной ШИМ-сигнал обрабатывается отдельно. Уравнения (15–16) выражают составляющие постоянного тока сигналов и высокого, и низкого уровней, соответственно.

где нижние индексы H и L относятся к PWMH и PWML, соответственно. Предполагая, что и PWMH, и PWML работают на одной и той же частоте, имеют одинаковую амплитуду размаха и одинаковое разрешение, а N = N_L = N_H, выходной сигнал можно определить путем суммирования уравнений (15–16), которое дает уравнение

Уравнение (18) позволяет найти общую неопределенность таким же образом:

Действенность двухканального метода становится более очевидной, если взглянуть на эквивалентную диаграмму ENOB в зависимости от относительной полосы пропускания на рисунке 7. Разрешение 16 бит почти во всей 1‑кГц полосе пропускания (при тактовой частоте 16 МГц) достигается с помощью второго 8‑бит выходного ШИМ-сигнала и двух прецизионных резисторов.

Рис. 7. Зависимость ENOB от относительной ширины полосы для разных значений m с использованием метода двухканальной ШИМ

 

Активное подавление пульсаций

Хотя метод двуканальной ШИМ обеспечивает более высокое разрешение, пульсация в наихудшем случае по-прежнему определяется старшими битам. В преобразователях звука с ШИМ для уменьшения пульсации применяется метод ее активного подавления. Для исключения постоянного тока инвертированный ШИМ-сигнал пропускается через полосовой фильтр. Суммирование этого инвертированного сигнала с основным сигналом подавляет нежелательные гармоники высокого порядка. На рисунке 8 эта концепция

Рис. 8. Способ активного подавления пульсаций

иллюстрируется с использованием одного канала с фильтром 1‑го порядка.

Эффект активного подавления пульсаций можно объяснить в частотной области как суммирование компонентов ряда Фурье (см. рис. 3) с эквивалентными составляющими, но со сдвигом фазы на 180°. Моделирование показало, что подавление пульсаций составило –20 дБ, что эквивалентно дополнительному полюсу фильтра.

 

Буферизация ШИМ-сигналов

Поскольку размах ШИМ-сигнала непосредственно влияет на разрешение согласно уравнению (4), желательно, чтобы это значение было как можно более стабильным. Это значение зависит от отклонения напряжения питания от требуемого значения и точности обеспечения высокого и низкого напряжений драйвера. Входы и выходы МК общего назначения не обеспечивают высокую точность и стабильность этих параметров.

Чтобы решить эту задачу, выходной ШИМ-сигнал микроконтроллера буферизуется с помощью высокоскоростных логических вентилей с малым энергопотреблением, которые также могут потребоваться для инвертирования сигналов при активном подавлении пульсаций. Использование источника стабильного опорного напряжения (ИОН) для логических вентилей обеспечивает очень точную и стабильную генерацию сигнала.

 

Принципиальная схема

Схема на рисунке 9 представляет собой пример реализации описанных концепций. В ней применяются двуканальные ШИМ-сигналы, буферизованные с помощью ИОН в качестве источника питания, а подавление пульсаций осуществляется с использованием инвертированных сигналов. Каскад с RC-фильтром 1‑го порядка обеспечивает подавление ШИМ-пульсаций величиной 40 дБ на декаду. Далее установлен активный фильтр Салена-Ки 2‑го порядка, чтобы добавить еще два полюса. Таким образом, суммарный эффективный фильтр имеет 4‑й порядок.

Рис. 9. Преобразование двухканальных ШИМ-сигналов с высоким разрешением в петлевой ток 4–20 мА

3‑В ИОН REF3330 с малым дрейфом используется для питания активных компонентов. Выходное напряжение фильтра V₂ подается на вход токового преобразователя в диапазоне 4–20 мА; петлевой ток создается в соответствии с уравнением (19).

Поскольку V₂ находится в диапазоне 0–3 В, диапазон петлевого тока составляет 0–24 мА. Подробнее о передатчике токовой петли и его расчете см. [8]. Передатчик питается от высоковольтного стабилизатора с малым падением напряжения (LDO) TPS7A16‑Q1 с диапазоном входного напряжения 3–60 В. LDO-стабилизатор генерирует 4,5 В промежуточного напряжения для питания ИОН REF3330.

 

Защита

33‑В двунаправленный диод D1 TVS3300 используется для подавления бросков напряжения в переходных процессах на входе контура, а диоды Шоттки D2 и D3 защищают от неправильного подключения входа, которое может повредить высоковольтный LDO-стабилизатор. В случае высокой емкостной нагрузки на силовые устройства пусковой ток большой амплитуды, поступающий на локальное заземление до токоизмерительного резистора R20, может превысить предел мощности этого резистора. Ограничитель тока [9], установленный перед LDO-стабилизатором, снижает пусковой ток.

 

Методы по обеспечению низкого энергопотребления

Для обеспечения низкой мощности рассматриваемой схемы, в частности тока величиной 100 мкА для всего преобразователя, потребовалось применить несколько методов. Первый заключается в использовании устройств с малым током покоя, в т. ч. LDO-стабилизатора, источника опорного напряжения и логического буфера, а также операционного усилителя (в данном случае – OPA2333). Рекомендуется, чтобы R_H равнялось 3,9 кОм, а сопротивление RC-фильтра 1‑го порядка – 20 кОм, поскольку значения сопротивления, особенно R_H, играют важную роль в динамической мощности буфера. Оставшаяся мощность потребляется в R3, R12, а затем в ключе Q1 преобразователя тока. При максимальном выходном напряжении и R3 равном 100 кОм потребляемый ток составляет 25 мкА, а база транзистора Q1 в наихудшем случае потребляет 20 мА/β (Q1). Типичному биполярному транзистору (BJT), у которого β = 100, ток базы составляет 200 мкА, требуется намного более высокое усиление. Пара транзисторов с β = 104 уменьшает максимальный ток в базе Q1 до 2 мкА.

На рисунке 10 представлена топология печатной платы схемы на рисунке 9. Площадь участка с преобразованием ШИМ-сигнала в напряжение составляет 15×7 мм. Защитные устройства имеют размер 8×5 мм, а силовой каскад – 13×3 мм. Хотя площадь схемы достаточно мала, ее можно еще уменьшить за счет использования меньших корпусов большинства устройств.

Рис. 10. Топология печатной платы со схемой на рисунке 9

 

Испытательная установка

На рисунке 11 показана схема установки для тестирования печатной платы. Генератор аналоговых сигналов (AWG) с плавающей землей создает два ШИМ-сигнала. Источник питания обеспечивает питание контура. Его ток измеряется 6,5‑разрядным мультиметром. Прецизионный нагрузочный резистор R_Burden преобразует ток в напряжение, а 24‑бит АЦП захватывает токовый шум, который не учитывается мультиметром из-за усреднения. Дифференциальный пробник, установленный в узле печатной платы J15 (см. V₂ на рисунке 9), измеряет время установления.

Рис. 11. Структурная схема испытательной установки

 

Результаты теста

В таблице приведены результаты тестирования схемы. Подробнее о результатах измерений см. [10].

Таблица. Параметры схемы, измеренные с помощью испытательной установки

Параметр	Значение
Напряжение питания контура	9,5–32 В
Диапазон тока контура	40 мкА…24,075 мА
Разрешение	16 бит
Потребление тока (макс.)	102 мкА
Диапазон температуры	–40…125°C
Полоса пропускания	600 Гц
Время установления	3 мс при ступени в диапазоне 4–20 мА
Погрешность смещения	–6,66…5,02 мкА
Дрейф погрешности смещения (макс.)	5,84 ppm (пик–пик)/°C
Погрешность усиления	–0,18…0,08% (пик–пик)
Усиление входного сигнала HART	1,1 мА/В при 1,2 кГц, 1 В (пик–пик)
	1,3 мА/В при 2,2 кГц, 1 В (пик–пик)

Выводы

Исследование причин ограничения классического метода ЦАП на основе ШИМ путем математического анализа показало, что схема с ИОН и активным подавлением пульсаций, в которой ШИМ-сигнал преобразуется в ток в диапазоне 4–20 мА, позволяет уменьшить размах амплитуды шума почти до 0,1%. Использование масштабируемого двухканального метода обеспечивает разрешение в 16 бит в полосе пропускания 600 Гц.

Максимальный потребляемый ток усилителей малой мощности, стабилизаторов с малым током покоя и пары выходных транзисторов не превышает 102 мкА в диапазоне рабочей температуры. Температурный дрейф усилителей очень мал, благодаря чему погрешность смещения невелика и обеспечивается стабильная работа во всем промышленном диапазоне температуры.

Литература

1. David Alter. Using PWM Output as a Digital-to-Analog Converter on a TMS320F280x Digital Signal Controller. Texas Instruments (TI) Application Report (SPRA88A). September. 2008.
2. «Timer_A» chapter excerpt (SLAU400F) from the MSP430 User’s Guide. TI.  2008.
3. MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User’s Guide. TI (SLAU208Q). March. 2018.
4. Dual-Output 8‑Bit PWM DAC Using Low-Memory MSP430 MCUs. TI TechNotes (SLAA804). October. 2017.
5. Dennis Seguine. Enhanced PWM Implementation Adds High-Performance DAC to MCU. Electronic Design. September 4. 2015.
6. Stephen Woodward. Fast-settling synchronous-PWMDAC filter has almost no ripple. EDN. May 1. 2008.
7. Stephen Woodward. Combine two 8‑bit outputs to make one 16‑bit DAC.  September 30. 2004.
8. Highly Accurate, Loop-Powered, 4‑mA to 20‑mA Field Transmitter with HART Modem Reference Design. TI Designs (TIDA‑01504). December. 2017.
9. Isolated, Ultra-Low Power Design for 4‑to 20‑mA Loop-Powered Transmitters Reference Design. TI Designs (TIDU414). September. 2014.
10. Tess Chen and Ahmed Noeman. High-Performance 16‑bit PWM to 4‑to 20‑mA DAC for Field Transmitters. TI Application Note (SBOA379). March. 2020.

Широтно-импульсная модуляция

— learn.sparkfun.com

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Широтно-импульсная модуляция (PWM) — это причудливый термин для описания типа цифрового сигнала. Широтно-импульсная модуляция используется во множестве приложений, включая сложные схемы управления. Обычно мы используем их в SparkFun для управления затемнением светодиодов RGB или для управления направлением сервопривода. Мы можем достичь ряда результатов в обоих приложениях, потому что широтно-импульсная модуляция позволяет нам изменять, сколько времени сигнал находится на высоком уровне аналоговым способом.Хотя сигнал может быть только высоким (обычно 5 В) или низким (земля) в любое время, мы можем изменить пропорцию времени, в течение которого сигнал является высоким, по сравнению с тем, когда он низкий в течение согласованного временного интервала.

Роботизированная клешня, управляемая серводвигателем с использованием широтно-импульсной модуляции

Рекомендуемая литература

Некоторые базовые руководства, которые вы могли бы рассмотреть в первую очередь:

Рабочий цикл

Когда сигнал высокий, мы называем это «вовремя».Чтобы описать количество «вовремя», мы используем понятие рабочего цикла. Рабочий цикл измеряется в процентах. Процент рабочего цикла конкретно описывает процент времени, в течение которого цифровой сигнал остается включенным в интервале или периоде времени. Этот период обратно пропорционален частоте сигнала.

Если цифровой сигнал проводит половину времени включенным, а другую половину — выключенным, мы бы сказали, что цифровой сигнал имеет рабочий цикл 50% и напоминает идеальную прямоугольную волну. Если процентное значение выше 50%, цифровой сигнал проводит больше времени в высоком состоянии, чем в низком, и наоборот, если рабочий цикл меньше 50%.Вот график, иллюстрирующий эти три сценария:

Примеры рабочего цикла 50%, 75% и 25%

100% рабочий цикл будет таким же, как установка напряжения на 5 В (высокое). Рабочий цикл 0% будет таким же, как заземление сигнала.

Примеры

Яркость светодиода можно регулировать, регулируя рабочий цикл.

ШИМ используется для управления яркостью светодиода

С помощью светодиода RGB (красный, зеленый, синий) вы можете контролировать, какое количество каждого из трех цветов вы хотите в смешении цветов, уменьшая их яркость с различной степенью.

Основы смешивания цветов

Если все три горят в равной степени, в результате будет белый свет различной яркости. Синий, равно смешанный с зеленым, станет бирюзовым. В качестве немного более сложного примера попробуйте полностью включить красный, зеленый — 50% рабочего цикла и синий — полностью выключить, чтобы получить оранжевый цвет.

PWM можно использовать для смешивания цветов RGB

Частота прямоугольной волны должна быть достаточно высокой при управлении светодиодами, чтобы получить надлежащий эффект затемнения.Волна 20% рабочего цикла при 1 Гц будет очевидна, что она включается и выключается для ваших глаз, в то время как 20% рабочий цикл при 100 Гц или выше будет выглядеть более тусклым, чем полностью включенным. По сути, период не может быть слишком большим, если вы стремитесь к эффекту затемнения с помощью светодиодов.

Вы также можете использовать широтно-импульсную модуляцию для управления углом серводвигателя, прикрепленного к чему-то механическому, например, манипулятору робота. Сервоприводы имеют вал, который поворачивается в определенное положение в зависимости от его линии управления. Наши серводвигатели имеют диапазон около 180 градусов.

Частота / период зависят от управления конкретным сервоприводом. Ожидается, что типичный серводвигатель будет обновляться каждые 20 мс с импульсом от 1 до 2 мс, или, другими словами, от 5 до 10% рабочего цикла на форме волны 50 Гц. С импульсом 1,5 мс серводвигатель будет в естественном положении на 90 градусов. С импульсом 1 мс сервопривод будет в положении 0 градусов, а с импульсом 2 мс сервопривод будет в положении 180 градусов. Вы можете получить полный диапазон движения, обновив сервопривод промежуточным значением.

ШИМ используется для удержания серводвигателя под углом 90 градусов относительно его кронштейна

Ресурсы и дальнейшее развитие

Широтно-импульсная модуляция используется в различных приложениях, особенно для управления. Вы уже знаете, что его можно использовать для затемнения светодиодов и управления углом наклона серводвигателей, и теперь вы можете начать исследовать другие возможные применения. Если вы чувствуете себя потерянным, не стесняйтесь проверить SparkFun Inventor’s Kit, в котором есть примеры использования широтно-импульсной модуляции.Если вы готовы сразу перейти к кодированию и иметь Arduino, посмотрите здесь пример кодирования PWM.

Не стесняйтесь исследовать:

Что такое ШИМ: широтно-импульсная модуляция

Инверторы, преобразователи, схемы SMPS и контроллеры скорости …. Одна вещь, которая является общей для всех этих схем, состоит в том, что они состоят из множества электронных переключателей внутри. Эти переключатели представляют собой не что иное, как силовые электронные устройства, такие как MOSFET, IGBT, TRIAC и т. Д.Для управления такими силовыми электронными переключателями мы обычно используем так называемые сигналы ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Помимо этого, сигналы PWM также используются для управления серводвигателями, а также для других простых задач, таких как управление яркостью светодиода.

В нашей предыдущей статье мы узнали об АЦП, в то время как АЦП используется для чтения аналоговых сигналов с помощью цифрового устройства, такого как микроконтроллер. ШИМ можно рассматривать как полную противоположность ему, ШИМ используется для создания аналоговых сигналов от цифрового устройства, такого как микроконтроллер .В этой статье мы узнаем о , что такое ШИМ , сигналы ШИМ и некоторые параметры, связанные с ними, так что мы будем уверены в их использовании в наших проектах.

Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция)?

PWM означает широтно-импульсную модуляцию; мы рассмотрим причину такого имени позже. Но пока понимайте ШИМ как тип сигнала, который может быть произведен цифровой ИС, такой как микроконтроллер или таймер 555. Созданный таким образом сигнал будет иметь последовательность импульсов, и эти импульсы будут иметь форму прямоугольной волны.То есть в любой данный момент времени волна будет либо высокой, либо низкой. Для простоты понимания давайте рассмотрим сигнал ШИМ 5 В, в этом случае сигнал ШИМ будет либо 5 В (высокий), либо на уровне земли 0 В (низкий). Продолжительность, в течение которой сигналы остаются на высоком уровне, называется « , время включения », а продолжительность, в течение которой сигнал остается на низком уровне, называется « , время отключения ».

Для сигнала ШИМ нам нужно посмотреть на два важных параметра, связанных с ним: один — это рабочий цикл ШИМ, а другой — частота ШИМ.

Рабочий цикл ШИМ

Как было сказано ранее, сигнал ШИМ остается включенным в течение определенного времени, а затем остается выключенным до конца этого периода. Что делает этот сигнал ШИМ особенным и более полезным, так это то, что мы можем установить, как долго он должен оставаться включенным, контролируя рабочий цикл сигнала ШИМ.

Процент времени, в течение которого сигнал ШИМ остается ВЫСОКИМ (по времени), называется рабочим циклом. Если сигнал всегда включен, это 100% -ный рабочий цикл, а если он всегда выключен, это 0% -ный рабочий цикл.Формулы для расчета рабочего цикла показаны ниже.

  Рабочий цикл = время включения / (время включения + время выключения) 
 

На следующем изображении представлен сигнал ШИМ с рабочим циклом 50%. Как вы можете видеть, учитывая весь период времени (время включения + время выключения), сигнал ШИМ остается включенным только в течение 50% периода времени.

Регулируя рабочий цикл от 0% до 100%, мы можем управлять « по времени » ШИМ-сигнала и, следовательно, шириной сигнала.Поскольку мы можем модулировать ширину импульса, он получил свое культовое название « Широтно-импульсная модуляция ».

Частота ШИМ

Частота сигнала ШИМ определяет, насколько быстро ШИМ завершает один период. Один период — это полное время включения и выключения сигнала ШИМ, как показано на рисунке выше. Формулы для расчета частоты приведены ниже

.

  Частота = 1 / Период времени 
  Период времени = время включения + время выключения  

Обычно сигналы ШИМ, генерируемые микроконтроллером, составляют около 500 Гц, такие высокие частоты будут использоваться в высокоскоростных коммутационных устройствах, таких как инверторы или преобразователи.Но не все приложения требуют высокой частоты. Например, для управления серводвигателем нам необходимо генерировать сигналы ШИМ с частотой 50 Гц, поэтому частота сигнала ШИМ также может управляться программой для всех микроконтроллеров.

Некоторые часто возникающие вопросы по ШИМ

В чем разница между рабочим циклом и частотой сигнала ШИМ?

Часто путают рабочий цикл и частоту сигналов ШИМ.Как мы знаем, сигнал ШИМ представляет собой прямоугольную волну с определенным временем включения и выключения. Сумма этих времени включения и времени выключения называется одним периодом времени. Значение, обратное одному периоду времени, называется частотой. В то время как количество времени, в течение которого сигнал ШИМ должен оставаться включенным в один период времени, определяется рабочим циклом ШИМ.

Проще говоря, скорость включения и выключения ШИМ-сигнала определяется , частота сигнала ШИМ и на этой скорости, как долго ШИМ-сигнал должен оставаться включенным, определяется рабочим циклом Сигнал ШИМ .

Как преобразовать сигналы ШИМ в аналоговое напряжение?

Для простых приложений, таких как управление скоростью двигателя постоянного тока или регулировка яркости светодиода, нам необходимо преобразовать сигналы ШИМ в аналоговое напряжение. Это легко сделать с помощью RC-фильтра и обычно используется там, где требуется функция ЦАП. Схема для того же показана ниже

На приведенном выше графике желтый цвет — это сигнал ШИМ, а синий — выходное аналоговое напряжение.Значение резистора R1 и конденсатора C1 можно рассчитать на основе частоты сигнала ШИМ, но обычно используются резистор 5,7 кОм или 10 кОм и конденсатор 0,1 или 1 мк.

Как рассчитать выходное напряжение сигнала ШИМ?

Выходное напряжение ШИМ-сигнала после его преобразования в аналоговый будет в процентах от рабочего цикла. Например, если рабочее напряжение составляет 5 В, тогда сигнал ШИМ также будет иметь 5 В при высоком уровне. В таком случае для 100% рабочего цикла выходное напряжение будет 5 В, для 50% рабочего цикла будет 2.5В.

  Выходное напряжение = Рабочий цикл (%) * 5  

Примеры:

Ранее мы использовали ШИМ с различными микроконтроллерами во многих наших проектах:

Далее проверьте все проекты, связанные с ШИМ здесь.

Широтно-импульсная модуляция, используемая для управления двигателем

Но прежде чем мы начнем рассматривать входы и выходы широтно-импульсной модуляции, нам нужно немного больше понять, как работает двигатель постоянного тока.

Помимо шаговых двигателей, двигатель постоянного тока с постоянным магнитом (PMDC) является наиболее часто используемым типом небольших двигателей постоянного тока, обеспечивающих постоянную скорость вращения, которой можно легко управлять. Небольшие двигатели постоянного тока идеально подходят для использования в приложениях, где требуется регулирование скорости, например, в небольших игрушках, моделях, роботах и ​​других подобных электронных схемах.

Двигатель постоянного тока состоит в основном из двух частей: неподвижного корпуса двигателя, называемого «статор», и внутренней части, которая вращается, вызывая движение, называемое «ротор».Для машин постоянного тока ротор обычно называют «арматурой».

Обычно в небольших двигателях постоянного тока малой мощности статор состоит из пары фиксированных постоянных магнитов, создающих однородный и постоянный магнитный поток внутри двигателя, что дает этим типам двигателей название двигателей постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC).

Якорь двигателя состоит из отдельных электрических катушек, соединенных вместе по кругу вокруг его металлического корпуса, образуя северный полюс, затем южный полюс, затем северный полюс и т. Д., Тип конфигурации полевой системы.

Ток, протекающий в катушках ротора, создает необходимое электромагнитное поле. Круговое магнитное поле, создаваемое обмотками якоря, создает как северный, так и южный полюса вокруг якоря, которые отталкиваются или притягиваются постоянными магнитами статора, вызывая вращательное движение вокруг центральной оси двигателя, как показано.

2-полюсный двигатель с постоянными магнитами

По мере вращения якоря электрический ток проходит от выводов двигателя к следующему набору обмоток якоря через угольные щетки, расположенные вокруг коммутатора, создавая другое магнитное поле, и каждый раз, когда якорь вращается, новый набор обмоток якоря возбуждается, заставляя якорь вращаться. все больше и больше и так далее.

Таким образом, скорость вращения двигателя постоянного тока зависит от взаимодействия двух магнитных полей, одно из которых создается постоянными постоянными магнитами статора, а другое — якорями, вращающимися электромагнитами, и, управляя этим взаимодействием, мы можем управлять скоростью вращения.

Магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами статора, является фиксированным и, следовательно, не может быть изменено, но если мы изменим силу электромагнитного поля якоря путем управления током, протекающим через обмотки, будет создаваться больший или меньший магнитный поток, что приведет к более сильному или сильному магнитному потоку. более слабое взаимодействие и, следовательно, более высокая или медленная скорость.

Тогда скорость вращения двигателя постоянного тока (N) пропорциональна обратной ЭДС (V _b ) двигателя, деленной на магнитный поток (который для постоянного магнита является постоянным), умноженный на электромеханическую постоянную в зависимости от природы. обмоток якоря (K _e ), что дает нам уравнение: N ∝ V / K _e Φ.

Так как же нам контролировать ток через двигатель? Многие люди пытаются управлять скоростью двигателя постоянного тока, используя большой переменный резистор (реостат), подключенный последовательно с двигателем, как показано на рисунке.

Хотя это может работать, как и в случае с гоночными автомобилями Scalextric, в сопротивлении выделяется много тепла и тратится впустую мощность. Один простой и легкий способ контролировать скорость двигателя — регулировать величину напряжения на его выводах, и это может быть достигнуто с помощью «Широтно-импульсной модуляции , » или ШИМ.

Как следует из названия, управление скоростью с широтно-импульсной модуляцией работает, приводя двигатель в действие серией импульсов «ВКЛ-ВЫКЛ» и изменяя рабочий цикл, долю времени, в течение которой выходное напряжение находится в состоянии «ВКЛ» по сравнению с тем, когда оно «включено». ВЫКЛ »импульсов при постоянной частоте.

Мощность, подаваемая на двигатель, можно регулировать, изменяя ширину этих приложенных импульсов и тем самым изменяя среднее напряжение постоянного тока, подаваемое на клеммы двигателя. Изменяя или модулируя синхронизацию этих импульсов, можно управлять скоростью двигателя, т. Е. Чем дольше импульс находится в состоянии «ВКЛ», тем быстрее двигатель будет вращаться, и, аналогично, чем короче импульс «ВКЛ», тем медленнее двигатель. будет вращаться.

Другими словами, чем шире ширина импульса, тем больше среднее напряжение, приложенное к клеммам двигателя, тем сильнее магнитный поток внутри обмоток якоря и тем быстрее двигатель будет вращаться, как показано ниже.

Форма волны с широтно-импульсной модуляцией

Использование широтно-импульсной модуляции для управления небольшим двигателем имеет преимущество в том, что потери мощности в переключающем транзисторе невелики, поскольку транзистор либо полностью включен, либо полностью выключен. В результате переключающий транзистор имеет значительно меньшее рассеивание мощности, что дает ему линейный тип управления, что приводит к лучшей стабильности скорости.

Также амплитуда напряжения двигателя остается постоянной, поэтому двигатель всегда работает на полную мощность.В результате двигатель может вращаться намного медленнее без остановки. Итак, как мы можем создать сигнал с широтно-импульсной модуляцией для управления двигателем. Просто используйте схему генератора Astable 555, как показано ниже.

Эта простая схема, основанная на известной микросхеме таймера NE555 или 7555, используется для создания необходимого сигнала широтно-импульсной модуляции с фиксированной выходной частотой. Конденсатор синхронизации C заряжается и разряжается током, протекающим через цепи синхронизации R _A и R _B , как мы видели в руководстве по таймеру 555.

Выходной сигнал на выводе 3 разъема 555 равен напряжению питания, при котором транзисторы полностью включаются. Время, необходимое для зарядки или разрядки C, зависит от значений R _A , R _B .

Конденсатор заряжается через сеть R _A , но отводится через резистивную сеть R _B и через диод D ₁ . Как только конденсатор заряжен, он сразу же разряжается через диод D ₂ и сеть R _B в вывод 7.Во время процесса разрядки выход на выводе 3 находится под напряжением 0 В, и транзистор выключен.

Тогда время, необходимое конденсатору C для прохождения одного полного цикла заряда-разряда, зависит от значений R _A , R _B и C, при этом время T для одного полного цикла задается как:

Время T _H , в течение которого выход находится в состоянии «ВКЛ»: T _H = 0,693 (R _A ) .C

Время T _L , в течение которого выход находится в состоянии «ВЫКЛ»: T _L = 0.693 (R _B ) .C

Общее время цикла «ВКЛ.» — «ВЫКЛ.» Определяется как: T = T _H + T _L с выходной частотой ƒ = 1 / T

С показанными значениями компонентов рабочий цикл формы волны можно отрегулировать от примерно 8,3% (0,5 В) до примерно 91,7% (5,5 В), используя источник питания 6,0 В. Астабильная частота постоянна и составляет примерно 256 Гц, и двигатель переключается на «ВКЛ» и «ВЫКЛ» с этой скоростью.

Резистор R ₁ плюс «верхняя» часть потенциометра, VR ₁ представляют резистивную цепь R _A .В то время как «нижняя» часть потенциометра плюс R ₂ представляет резистивную цепь R _B выше.

Эти значения могут быть изменены для различных приложений и двигателей постоянного тока, но при условии, что схема 555 Astable работает достаточно быстро при минимуме в несколько сотен герц, рывков во вращении двигателя быть не должно.

Диод D ₃ — наш давний любимый диод маховика, используемый для защиты электронной схемы от индуктивной нагрузки двигателя.Также, если нагрузка двигателя высока, установите радиатор на переключающий транзистор или полевой МОП-транзистор.

Широтно-импульсная модуляция — отличный метод управления мощностью, подаваемой на нагрузку, без потери энергии. Вышеупомянутая схема также может использоваться для управления скоростью вентилятора или для уменьшения яркости ламп постоянного тока или светодиодов. Если вам нужно управлять им, используйте для этого широтно-импульсную модуляцию .

Описание широтно-импульсной модуляции

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) относится к концепции быстрой передачи цифрового сигнала по проводам.Наряду со многими другими применениями его можно использовать для моделирования переменного статического напряжения. ШИМ обычно используется для управления двигателями, нагревателями, светодиодами или фарами различной интенсивности или скорости.

ТЕРМИНОЛОГИЯ

• Период — время между нарастающими фронтами (секунды).
• Частота — частота нарастающих фронтов (Гц или циклов в секунду): это просто обратная величина периода
• Duty Cycle — время в периоде, когда импульс активен или высокий (в процентах от полного периода)

ПРИМЕР ИЛЛЮСТРАЦИИ

Пример сигнала ШИМ при рабочем цикле 50%

На приведенной выше диаграмме рабочий цикл показан равным 50%.Розовая линия показывает средний выходной сигнал, и вы можете видеть, что при рабочем цикле 50% среднее выходное значение составляет примерно 6 В или 50% от максимального напряжения. Ниже приведена диаграмма того, как выглядит сигнал ШИМ с коэффициентом заполнения 25%:

Пример сигнала ШИМ при рабочем цикле 25%

ЗВУК

Распространенной проблемой или жалобой на систему, использующую сигналы ШИМ, является слышимое гудение или гудение, исходящее от системы. Человеческое ухо может слышать частоты примерно до 20 кГц.Использование сигналов ШИМ на частоте 20 кГц или ниже может вызвать раздражающее жужжание. Использование более высоких частот, если возможно, может уменьшить это явление. Некоторые типы компонентов, например керамические конденсаторы, могут усиливать такие звуковые сигналы.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ

При управлении двигателями более высокий КПД может быть достигнут на частотах выше 20-30 кГц. Повышенная эффективность достигается за счет того, что ток (индукция) в обмотках двигателя не падает полностью во время короткого периода выключения ШИМ.Коллапс этого индукционного поля занимает определенное время, которое зависит от характеристик двигателя. При управлении двигателями на высоких частотах ШИМ этот индукционный ток постоянно сохраняется в двигателях, что приводит к гораздо более высокому КПД.

АНАЛОГОВЫЕ СИГНАЛЫ

Сигналы

PWM также могут использоваться для аппроксимации изменяющихся во времени аналоговых сигналов путем «сглаживания» их с помощью фильтра нижних частот. Самый простой фильтр — это просто конденсатор, подключенный между сигналом ШИМ и землей.Пример такого сглаживания показан на графике ниже, где волна ШИМ, изменяющаяся от примерно 25% до 75% цикла, приближается к синусоидальной волне. Фактический выходной сигнал, выделенный синим цветом, не пытается идеально имитировать синусоидальную волну, а скорее формирует набор локальных средних значений, которые действуют как синусоидальная волна.

Простым методом получения характеристик сигнала ШИМ является разделение аналогового сигнала на несколько дискретных сегментов, равных длине периода ШИМ. Затем цикл ШИМ для этого периода может быть установлен равным среднему значению аналогового сигнала за тот же интервал.

ШИМ, используемый для генерации переменного аналогового эквивалента. Взято из Википедии; используется под GPL

Широтно-импульсная модуляция

[Analog Devices Wiki]

Цель

В этой лаборатории мы исследуем широтно-импульсную модуляцию и ее использование в различных приложениях.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это метод кодирования аналогового сигнала в один цифровой бит.Сигнал ШИМ состоит из двух основных компонентов, которые определяют его поведение: рабочий цикл и частота.

Он используется для передачи информации путем кодирования сообщения в импульсный сигнал, а также для управления мощностью электронных устройств, таких как двигатели, и в качестве основного алгоритма для фотоэлектрических зарядных устройств солнечных батарей.

Рабочий цикл описывает количество времени, в течение которого сигнал находится в высоком (включенном) состоянии, как процент от общего времени, необходимого для завершения одного цикла.

На следующей диаграмме показаны последовательности импульсов при рабочем цикле 0%, 25% и 100%.

Частота определяет, насколько быстро ШИМ завершает цикл и, следовательно, как быстро он переключается между высоким и низким состояниями.

При включении и выключении цифрового сигнала с достаточно высокой скоростью и с определенным рабочим циклом выходной сигнал будет вести себя как аналоговый сигнал постоянного напряжения при подаче питания на устройства, которые реагируют намного медленнее, чем частота ШИМ, например аудиоколонки, электродвигатели и электромагнитные приводы.

Материалы

Модуль активного обучения ADALM2000
Макетная плата без пайки и комплект перемычек
1 Операционный усилитель OP97
1 Резистор 1 кОм 1 потенциометр 10 кОм

Широтно-импульсный модулятор — Принцип работы

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это метод генерации низкочастотных выходных сигналов из высокочастотных импульсов. Быстрое переключение выходного напряжения ветви инвертора между верхним и нижним напряжениями шины постоянного тока, низкочастотный выход можно рассматривать как среднее значение напряжения за период переключения.

Помимо этого, есть также несколько других способов генерации сигналов с широтно-импульсной модуляцией, включая аналоговые методы, сигма-дельта модуляцию и прямой цифровой синтез.

Один из простейших методов генерации сигнала ШИМ — это сравнение двух управляющих сигналов, сигнала несущей и сигнала модуляции. Это известно как несущая ШИМ. Несущий сигнал представляет собой высокочастотный (частота переключения) треугольный сигнал. Сигнал модуляции может иметь любую форму.

Используя этот подход, выходной сигнал может быть ШИМ-представлением любой желаемой формы сигнала.В машинах синусоидальные и трапециевидные формы волны являются одними из самых распространенных.

Рассмотрим схему на рисунке 1.

Рисунок 1. Принцип работы ШИМ.

Следуя описанию принципа ШИМ, мы используем отрицательный вход операционного усилителя для несущей, а положительный вход для сигнала модуляции. Таким образом, более высокий сигнал модуляции приведет к выходу с высоким уровнем в течение большей части периода ШИМ.

Настройка оборудования

Создайте следующую макетную схему для широтно-импульсной модуляции.

Рисунок 2. Принцип работы ШИМ — макетная схема.

Процедура

Используйте первый генератор формы волны в качестве несущего сигнала, обеспечивающего размах амплитуды 4 В, смещение 2,5 В, возбуждение треугольной волны кГц для схемы. Используйте второй генератор сигналов в качестве сигнала модуляции с размахом амплитуды 3 В, 2.Смещение 5 В, синусоида 50 Гц.

Подайте на операционный усилитель + 5В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

На рисунке представлены два канала генератора сигналов, содержащие два входных сигнала (оранжевый — сигнал несущей, фиолетовый — сигнал модуляции).

График выходного сигнала на канале 2 осциллографа представлен на рисунке 4.

Если мгновенная величина сигнала модуляции больше, чем сигнал несущей в определенный момент времени, выходной сигнал будет высоким. Если сигнал модуляции ниже, чем сигнал несущей, выходной сигнал будет низким.

Если пик модуляции меньше, чем пик несущего сигнала, выходной сигнал будет точным ШИМ-представлением сигнала модуляции. Редактировать

Управление шириной импульса с помощью модуляции постоянного напряжения

Фон

Для этого конкретного приложения мы будем использовать простой операционный усилитель в конфигурации режима переключения (дополнительные сведения см. В разделе «Действие: операционный усилитель в качестве компаратора»), чтобы продемонстрировать широтно-импульсную модуляцию напряжения постоянного тока.

Рассмотрим схему на рисунке 5.

Рисунок 5. Регулировка ширины импульса с помощью модулирующего напряжения постоянного тока.

Схема работает как простой компаратор, где отрицательный вход операционного усилителя подключен к сигнал несущей, в то время как положительный вход действует как пороговое напряжение, которое устанавливает, когда происходят переходы между выходом высокого напряжения и выходом низкого напряжения. Потенциометр действует как делитель напряжения для входного опорного напряжения, регулируя пороговое напряжение и косвенно рабочий цикл выходного сигнала.

Настройка оборудования

Создайте следующую макетную схему для управления шириной импульса, используя напряжение модуляции постоянного тока.

Рисунок 6. Регулировка ширины импульса с помощью модуляции постоянного напряжения — схема макетной платы.

Процедура

Используйте первый генератор сигналов в качестве источника Vin для обеспечения возбуждения треугольной волны амплитудой 5 В от пика до пика 1 кГц в схему. Используйте второй генератор сигналов в качестве источника постоянного напряжения с размахом амплитуды 5 В.Подайте на операционный усилитель + 5В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

Анимированный сюжет представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Регулировка ширины импульса с использованием модуляции постоянного тока. Напряжение — формы сигналов.

Выходной сигнал представляет собой ШИМ-представление входного напряжения. Обратите внимание, что при изменении значения потенциометра рабочий цикл сигнала изменяется, а частота остается постоянной.

Фиксированная 50% ШИМ с нестабильным мультивибратором

Фон

Рассмотрим схему на рисунке 8.

Рисунок 8. ШИМ с нестабильным мультивибратором.

На схеме показан нестабильный мультивибратор на одном операционном усилителе. Функциональность легко понять при рассмотрении функционального принципа триггера Шмитта (схема компаратора с гистерезисом изучается в Activity: Op Amp as Comparator): Вход триггера Шмитта, идентичный инвертирующему входу операционного усилителя, подключен к выходу схемы через резистивно-конденсаторную цепь.В то время как напряжение конденсатора (которое также является входом триггера Шмитта) ниже нижнего порога, выходное напряжение равно положительному напряжению питания схемы. Теперь конденсатор заряжается через резистор R ₃ , пока не будет достигнут верхний порог срабатывания триггера Шмитта. В результате выходное напряжение операционного усилителя становится отрицательным. Теперь конденсатор разряжается через R ₃ , пока напряжение на этих устройствах не достигнет нижнего порога срабатывания триггера Шмитта.Выходное напряжение операционного усилителя приводится к положительному напряжению питания, и весь процесс начинается снова.

Преимущество этой схемы в том, что ей не требуется M2K для генерации несущей (но рабочий цикл фиксирован на уровне 50%).

Настройка оборудования

Постройте следующую макетную схему для ШИМ с нестабильным мультивибратором.

Рисунок 9. ШИМ с нестабильной макетной платой мультивибратора.

Процедура

Подайте в цепь +/- 5В от источника питания.Настройте осциллограф так, чтобы выходной сигнал отображался на канале 1.

График с выходным сигналом на канале 1 осциллографа представлен на рисунке 10.

Рисунок 10. Форма выходного сигнала ШИМ с нестабильным мультивибратором.

Обратите внимание, что рабочий цикл выходного сигнала составляет примерно 50%, в то время как значения низкого / высокого напряжения имеют тенденцию достигать положительных / отрицательных значений питания.

В предыдущем примере мы сгенерировали ШИМ с фиксированным рабочим циклом 50% с использованием нестабильных мультивибраторов.Но как мы можем отрегулировать рабочий цикл? Для этого нам нужно будет немного изменить схему.

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 11.

Рисунок 11. Регулировка рабочего цикла ШИМ с мультивибратором.

Резистор R ₃ на рисунке 8 был заменен потенциометром и вставлены два диода. Теперь зарядный ток конденсатора проходит через D ₁ , а разрядный ток проходит через D ₂ .В зависимости от настройки потенциометра VR ₁ сопротивление зарядного тока, проходящего через верхнюю ветвь цепи, отличается от сопротивления разрядного тока, проходящего через нижнюю ветвь.

Настройка оборудования

Создайте следующую макетную схему для регулировки рабочего цикла ШИМ с мультивибраторами.

Рисунок 12. Регулировка рабочего цикла ШИМ с макетной схемой мультивибратора.

Процедура

Подайте в цепь +/- 5В от источника питания.Настройте осциллограф так, чтобы выходной сигнал отображался на канале 1, а напряжение на конденсаторе (на отрицательном входе операционного усилителя) отображалось на канале 2.

Измените значение потенциометра и обратите внимание на изменение рабочего цикла. Пример графика представлен на рисунке 13.

Рисунок 13. Регулировка рабочего цикла для ШИМ с нестабильными формами сигналов мультивибратора.

В этом примере рабочий цикл был установлен примерно на 25%. Всякий раз, когда рабочий цикл изменяется, неизбежно происходит небольшое изменение частоты переключения, потому что две цепи связи на инвертирующем и неинвертирующем входе обе подключены к выходу операционного усилителя.

Продолжаем работу с лабораторией

Все действия в этой лаборатории основаны на простом операционном усилителе (OP97), сконфигурированном как компаратор. В комплект деталей ADALP2000 входит также компаратор AD8561, предназначенный для этой единственной цели. Следовательно, производительность схем ШИМ может быть увеличена с помощью этой части.

Постройте описанные выше схемы, используя AD8561 из набора деталей, и обсудите любые заметные изменения поведения схемы и входных / выходных сигналов.

Дополнительная литература

широтно-импульсной модуляции (ШИМ) | Видео о круговых соревнованиях Collin Cunningham

ШИМ-контроллер: устройства управления с помощью цифрового сигнала

Автор Коллин Каннингем.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это очень умный способ использовать электричество для управления аналоговыми устройствами с помощью цифрового сигнала. Это очень простой метод, который очень эффективен для управления двигателями, лампами, светодиодами и многим другим!

Прекрасный пример использования ШИМ — это если вы когда-либо приглушали светодиод с помощью Arduino:

Затухание — Демонстрирует использование функции analogWrite () для затухания и включения светодиода.AnalogWrite использует широтно-импульсную модуляцию (PWM), очень быстро включающую и выключающую цифровой вывод для создания эффекта затухания.

Однако вам не нужен микроконтроллер для генерации сигнала ШИМ. Микросхему таймера 555 можно настроить так, чтобы ее выходной рабочий цикл зависел от потенциометра — с помощью некоторых простых схем.

Создайте свой собственный комплект широтно-импульсного модулятора Навыки схемы: видео с широтно-импульсной модуляцией

Для более надежного решения вы можете рассмотреть комплект DC to Pulse Width Modulator, подходящий для отправки до 6.5 А и построен на базе Motorola SG3525 — микросхемы, посвященной искусству ШИМ.

Конечно, Коллин отрицал бы свою природу, если бы не упомянул хотя бы одно приложение, связанное со звуком. ШИМ пригодится для генерации простых звуков и мелодий с микроконтроллера.

Arduino Simple Sounds
Генератор волновых таблиц мелодий

Щелкните здесь для просмотра технических данных Velleman K8004.

Другие схемы навыков DIY Видео от Collin:

Травление печатной платы
Функциональный генератор и корпуса
Инфракрасный световой барьер
Цветной светодиодный орган
Прототипирование перфорированной платы
Источник питания
Устройства для поверхностного монтажа
Волоконно-оптический кабель
Комплект светодиодной матрицы

---

Если вы решите создать модульный комплект для преобразования постоянного тока в широтно-импульсный, мы хотели бы услышать о ваших результатах! Отправьте свою историю на [адрес электронной почты]

Что такое широтно-импульсная модуляция и как она используется?

До разработки широтно-импульсной модуляции (ШИМ) единственным способом регулировки напряжения или тока для диммирования было использование реостатов или потенциометров.Кроме того, с помощью ШИМ легче управлять более крупными компонентами, такими как двигатели, клапаны, насосы, гидравлическая система и другие механические компоненты.

Обычно напряжение постоянного тока остается постоянным на некотором значении выше или ниже нуля. Широтно-импульсная модуляция превращает цифровой сигнал в аналоговый, изменяя время, в течение которого он остается включенным и выключенным. Термин «рабочий цикл» используется для описания процента или соотношения того, как долго он остается включенным по сравнению с тем, когда он выключается. Обычно устройства, которые могут выдавать ШИМ-сигнал, имеют очень высокую частоту обновления, чтобы средняя мощность «выглядела» постоянной для нагрузки.Я тестировал Arduino, например, с цифровым анализатором, который считывал частоту обновления около 500 Гц. Вот пример того, как выглядят сигналы ШИМ; Я использовал LTSpice для имитации сигнала и сделал снимок формы волны.

ШИМ-сигнал, генерируемый LTSpice, программой моделирования схем, разработанной Analog Devices.

Я использовал разные уровни напряжения и установил смещение для каждого сигнала, чтобы показать разницу между рабочими циклами. Как видите, более высокий рабочий цикл означает, что сигнал остается включенным больше, чем отключается, в то время как обратное верно для низкого рабочего цикла.

Что именно выполняет этот тип сигнала? Устройство, поддерживающее ШИМ, будет поддерживать любой рабочий цикл, определенный пользователем, и в некоторых случаях пользователь может запрограммировать изменения ширины импульса в любое время. С математической точки зрения устройства, поддерживающие ШИМ, изменяют выходной сигнал таким образом, что присутствует «среднее» напряжение. Сигнал, установленный на рабочий цикл 50%, примерно снизит среднее напряжение, подаваемое на нагрузку, на 50%. Однако в большинстве случаев это нецелесообразно, поскольку устройства не на 100% точны.Лучшим измерением для рассмотрения было бы измерение среднеквадратичного значения (RMS). Многие мультиметры и другое измерительное оборудование могут измерять среднеквадратичные значения. Например, при моделировании на LTSpice сигнал 5 В _DC при рабочем цикле 50% и частоте обновления 60 Гц имеет среднеквадратичное напряжение 3,57 В. Я также установил нагрузку, которая обычно потребляет 1 А без импульса ШИМ. в том же моделировании он показал около 714 мА RMS при 50% рабочем цикле.

Цифровые сигналы имеют тенденцию оставаться на уровне около 5 В или 3,3 В в зависимости от приложения, но можно «дублировать» влияние на более высокие напряжения с помощью полевых МОП-транзисторов.Поскольку эти транзисторы часто используются в качестве переключателей, управляемых напряжением, они будут включаться и выключаться с той же скоростью, что и сигнал ШИМ, в зависимости от напряжения затвор-исток. Эта реакция позволяет высоким напряжениям выглядеть так же, как сигнал ШИМ, и следовать тому же поведению. ШИМ особенно полезен при имитации эффекта «затемнения» нескольких компонентов. Светодиоды не очень хорошо реагируют на потенциометры, особенно светодиоды с более высоким током и напряжением. Однако устройства ШИМ в тандеме с полевыми МОП-транзисторами поддерживают напряжение на достаточно высоком уровне, чтобы светодиоды оставались включенными дольше, создавая больший диапазон затемнения.ШИМ также используется для управления скоростью двигателей с использованием той же концепции.

Если вы хотите впервые поэкспериментировать с ШИМ, я бы порекомендовал платформу Arduino. Я использовал две модели: 1050-1024-ND и 1050-1018-ND. MEGA имеет больше контактов, способных выводить ШИМ. Arduino использует для этого функцию «analogWrite (pin, val)», переменная pin — это ввод / вывод, поддерживающий ШИМ (имеет ~ рядом с выводом), а значение может быть от 0 до 255. Ноль. будет 0% рабочего цикла, а 255 будет 100% рабочего цикла.

Об авторе

Калеб Кольхасе, техник по электронике, отдел разработки приложений Digi-Key: Калеб работает в Digi-Key с начала 2018 года. Его интересы включают цифровую логику, программирование, моделирование схем, проектирование печатных плат, 3D-моделирование, звуковые схемы и многое другое. Калеб окончил Государственный университет Миннесоты в 2017 году со степенью бакалавра технических наук. Его сильные стороны включают понимание технической документации, такой как принципиальные схемы и таблицы данных, написание технической документации по исследуемой информации, устранение неисправностей в различных системах, доработку концепций путем создания физических прототипов и программирование на различных компьютерных языках.В свободное время Калеб любит проводить время со своей женой, смотря Netflix, играя в видеоигры, катаясь на велосипеде, плавая и изучая электронику.

.