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-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:

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.

Анализ сигналов широтно-импульсной модуляции | Rohde & Schwarz

Решение компании Rohde & Schwarz

Быстрый и простой способ получить общую картину ШИМ-сигнала — использовать функцию послесвечения осциллографа. Использование послесвечения может дать представление о типе присутствующих в сигнале импульсов. Кроме того, цветовая градация показывает области наибольшей активности сигнала.
Тем не менее, послесвечение и цветовая градация не обеспечивают детального анализа. Модулируется ли помимо длительности период? С какой частотой повторяется цикл модуляции? Сколько длительностей каждого значения встречается? Эти сведения необходимы при разработке различных электронных модулей, таких, например, как понижающие преобразователи, которые используются в источниках питания, схемах питания процессоров или зарядных устройствах.
Чтобы получить эту информацию, необходимо использовать методы более глубокого анализа.
Функция отслеживания осциллографов R&S®RTM3000 и R&S®RTA4000 способна демодулировать ШИМ-сигнал и извлекать основной сигнал модуляции в виде осциллограммы трека. Осциллограмма трека формируется из измеренных значений, расположенных в порядке времени их регистрации при захвате данных. Данный инструмент анализа отображает результаты любого заданного значения в зависимости от времени, обеспечивая четкое представление об изменении параметров ШИМ при измерении в течение относительно длительного интервала времени. В результате появляется возможность оценить правильность отслеживания и степень линейности в ШИМ-регуляторах/контроллерах.
Образец в функции отслеживания осциллографов R&S®RTM3000 и R&S®RTA4000, интегрированный в блок матопераций, позволяет задавать верхний (однополярный сигнал) и нижний (биполярный сигнал) пороговые уровни для демодулируемого сигнала.

Блок матопераций содержит следующие стандартные функции анализа трека:

• Трек: период (одно- и биполярный)
• Трек: частота (одно- и биполярный)
• Трек: длительность импульса (одно- и биполярный)
• Трек: коэффициент заполнения (одно- и биполярный)

Все про широтно-импульсную модуляцию (ШИМ)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.

Область применения

С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.

Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана здесь.

Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.

Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.

Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.

Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.

ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным. Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:

• обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
• ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
• контролирует уровень входного напряжения;
• защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
• при необходимости переводит устройство в дежурный режим.

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• высокой эффективности преобразования сигнала;
• стабильность работы;
• экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
• низкой стоимости;
• высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Пример использования ШИМ регулятора

Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в этой статье. Он построен на базе микросхемы NE555 и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.

Что такое PWM (ШИМ)? | dsp

Аббревиатурой PWM в английской документации обозначают ШИМ (широтно-импульсная модуляция). PWM (Pulse-Width Modulation) или PDM (Pulse-Duration Modulation) это метод уменьшения средней мощности электрического сигнала путем разделения его на дискретные части (отдельные порции). Среднее значение напряжения (и тока), поступающего в нагрузку, управляется открытием и закрытием электронного ключа на высокой частоте. Чем дольше время, когда ключ открыт в сравнении с временем, когда закрыт, тем больше мощность передается в нагрузку. Вместе с MPPT (maximum power point tracking), это один из основных методов уменьшения выхода энергии с солнечных панелей, чтобы не перегружать заряжаемые батареи [2]. PWM хорошо подходит для управления инерционными нагрузками, такими как моторы или нагреватели. Частота переключения PWM выбирается достаточно большой, чтобы не влиять на нагрузку, т. е. результирующая форма сигнала, воспринимаемая нагрузкой (и изменение мощности), должна получиться как можно более гладкой.

На рисунке ниже показан пример ШИМ на идеальной индуктивности, управляемый импульсами напряжения (синий сигнал), в результате чего получается похожий на синусоиду ток (показан красным). Форма синусоиды далека от идеальной, однако может быть значительно улучшена с повышением частоты импульсов. Обратите внимание, что форма тока это по сути интеграл от формы импульсов напряжения.

Скорость переключения (или частота) может значительно меняться в зависимости от нагрузки и от области применения. Например, в электрической печи можно включать и выключать нагревательный элемент несколько раз в минуту. Частота переключения 120 Гц можно использовать в диммере лампы. Для управления быстрым сервоприводом можно использовать частоты от нескольких килогерц (кГц) или десятков килогерц. В усилителях звука ит блоках питания компьютеров применяют частоты переключения от 44 кГц и выше. Основное достоинство регулирования по принципу PWM в том, что потери мощности на переключение в электронных ключах оказываются намного меньше, чем выходная мощность, передаваемая в нагрузку, и КПД системы регулирования получается очень высокой. PWM также хорошо работает в системах цифрового управления, потому соотношение включено/выключено (скважность периода импульсов) хорошо согласуется с числами, применяемые в цифровых системах. PWM также используется в некоторых системах коммуникаций, где скважность сигнала используется для переноса информации по каналу связи.

Многие современные микроконтроллеры (MCU) содержат в себе встроенные аппаратные PWM-контроллеры, выходы которых могут быть соединены с внешними выводами корпуса MCU. Это широко используется для управления моторами постоянного тока в системах управления роботами и других приложениях. Кроме того, PWM может быть реализована программно, путем прямого управления логическим уровнем ножки порта MCU.

Скважность (duty cycle). Термин скважность обозначает пропорцию времени включения и общим периодом времени включено/выключено. Малое значение скважности соответствует малая выходная мощность, потому что на интервале цикла PWM интервал состояния выключено занимает больше времени, чем включено. Скважность часто выражают в процентах, где 100% означает максимальную выходную мощность, когда ключ постоянно замкнут. Когда у цифрового сигнала половина времени периода лог.{T}y_{\text{min}}\,dt\right)\\&={\frac {1}{T}}\left(D\cdot T\cdot y_{\text{max}}+T\left(1-D\right)y_{\text{min}}\right)\\&=D\cdot y_{\text{max}}+\left(1-D\right)y_{\text{min}}\end{aligned}}}

Это последнее выражение может быть справедливо упрощено во многих случаях, где y_min = 0, как {\displaystyle {\bar {y}}=D\cdot y_{\text{max}}} . Получается, что среднее значение сигнала напрямую зависит от скважности D.

Самый простой метод генерации ШИМ из аналоговой величины — использование компаратора для сравнения этой величины с пилообразным сигналом. На рис. 2 приведен пример преобразования аналогового синусоидального сигнала в сигнал ШИМ. Когда уровень синусоидального сигнала (показан на рисунке красным цветом) больше, чем уровень модулирующего сигнала пилы (показана синим цветом), сигнал ШИМ (показан розовым цветом) переходит в высокий уровень, иначе переходит в низкий уровень.

Рис. 2. Простой метод формирования ШИМ с помощью генератора пилы и компаратора.

Дельта-модуляция (delta-PWM, Δ-PWM). При использовании дельта-модуляции для управления ШИМ выходной сигнал проинтегрирован, и результат интегрирования сравнивается с пределами, которые соответствуют исходному сигналу, смещенному на константу [3]. Всякий раз, когда интеграл выходного сигнала достигает одного из пределов, сигнал ШИМ меняет свое состояние, см. рис. 3.

Выходной сигнал (показан синим) сравнивается с пределами (показаны зеленым). Эти пределы соответствуют исходному сигналу (показан красным), который модулируется, относительно него установлены верхний и нижний пределы, смещенные на заданную величину. Каждый раз, когда выходной сигнал (синий) достигает пределов, сигнал ШИМ меняет свое состояние.

Рис. 3. Принцип работы Δ-PWM.

Дельта-сигма модуляция (delta-sigma, ΔΣ-PWM). В дельта-сигма модуляции выходной сигнал вычитается из исходного сигнала для формирования сигнала ошибки [4]. Эта ошибка интегрируется, и когда интеграл ошибки выходи за пределы, выходной сигнал ШИМ меняет свое состояние, см. рис. 4.

Исходный сигнал (показан зеленым) вычитается из выходного сигнала ШИМ (показан синим внизу) для формирования сигнала ошибки (показан синим вверху). Эта ошибка интегрируется, и результат интегрирования (розовый сигнал посередине) сравнивается с пределами. Когда интеграл ошибки выходит за пределы, выходной сигнал ШИМ меняет свое состояние.

Рис. 4. Принцип работы ΔΣ-PWM.

Пространственно-векторная модуляция. Этот алгоритм ШИМ применяется для генерации многофазного переменного тока. Здесь исходный сигнал оцифровывается с заданной периодичностью. На каждой выборке сигнала выбирают ненулевые активные переключающие векторы, смежные с исходным вектором, и один или более нулевых переключающих векторов для соответствующей доли периода дискретизации, чтобы синтезировать исходный сигнал как среднее из используемых векторов [5].

Прямое управление крутящим моментом (direct torque control, DTC). DTC используется для управления моторами переменного тока [6]. Этот метод ШИМ тесно связан с дельта-модуляцией (см. выше). Крутящий момент мотора и магнитный поток оцениваются и управляются таким образом, чтобы они оставались в заданных пределах гистерезиса, путем включения новой комбинации полупроводниковых ключей каждый раз, когда любой сигнал пытается отклониться от своего допустимого уровня.

ШИМ с распределением времени. Множество цифровых схем могут генерировать сигналы ШИМ (например, большинство микроконтроллеров имеют аппаратные блоки ШИМ, которые могут выводить сигнал ШИМ на свои выводы). Обычно в таких схемах используется счетчик, который инкрементируется в равные промежутки времени (такты для инкремента счетчика обычно вырабатываются из тактовой частоты микроконтроллера), и сбрасывается по окончании каждого периода ШИМ. Когда значение счетчика становится больше определенного значения, выход ШИМ меняет свое состояние с лог. 1 на лог. 0 (или с лог. 0 на лог. 1). По окончании периода ШИМ выход возвращается в исходное состояние — обратно в лог. 1 (или в лог. 0). Эта технику иногда называют ШИМ с распределением времени.

Повторяющиеся интервалы инкремента счетчика и его сброса составляют цифровую версию генерации пилообразного сигнала. Схема сравнения значения счетчика а заданной величиной становится цифровой версией аналогового компаратора. Скважность ШИМ в цифровой версии может меняться дискретными шагами, определяемыми разрядностью счетчика. Однако счетчик с большой разрядностью может обеспечить достаточно высокую точность ШИМ.

[Типы ШИМ и спектр]

Бывает 2 типа метода реализации периодического ШИМ:

1. Обычный ШИМ. Передний срез сигнала ШИМ может удерживаться в начале окна времени периода, а задний срез может модулироваться по длительности для изменения скважности.

2. Симметричный ШИМ. Середина импульса может быть фиксирована в окне времени периода, при этом оба перепада уровня ШИМ смещаются влево и вправо относительно этой середины для уменьшения и увеличения скважности. Такой метод дает более чистый спектр на выходе при синтезе аналоговых сигналов, однако он немного сложнее в реализации, и требует специальной аппаратуры (во многих микроконтроллерах симметричный ШИМ поддерживается).

Спектр на выходе ШИМ методов 1 и 2 примерно одинаковый, и содержит постоянную составляющую, модулируемый сигнал и фазо-модулированные несущие на каждой гармонике частоты импульсов ШИМ. Амплитуды групп гармоник ограничиваются огибающей функции синуса, и простираются до бесконечности. Бесконечная полоса вызвана нелинейной работой модулятора ШИМ. Из-за этого цифровой ШИМ страдает от искажений наложения спектра (алиасинга), что значительно снижает применимость ШИМ в современных системах связи. Ограничением полосы пропускания ядра ШИМ эффектов алиасинга можно избежать.

Дельта-модуляция, в отличие от периодического ШИМ, является псевдослучайным процессом, который производит непрерывный спектр без различаемых гармоник.

[Теорема дискретизации ШИМ]

Процесс формирования сигнала с помощью ШИМ нелинейный, и обычно предполагается, что восстановление аналогового сигнала с помощью ФНЧ получается не идеальным. Теорема [7] ШИМ-дискретизации показывает, что ШИМ-преобразование может быть совершенным. Теорема утверждает, что «Любой сигнал полосы частот в пределах ± 0,637 может быть представлен формой сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с единичной амплитудой. Число импульсов в форме сигнала равно числу выборок Найквиста, и ограничение пика не зависит от того, является ли форма сигнала двухуровневой или трехуровневой».

Теорема дисретизации Найквиста-Шеннона гласит [8]: «Если есть сигнал, ограниченный по спектру частотой f0, то можно собрать и сохранить всю информацию в этом сигнале, если оцифровать его с частотой дискретизации больше 2f0».

[Ссылки]

1. Pulse-width modulation site:wikipedia.org.
2. What is Maximum Power Point Tracking (MPPT) site:solar-electric.com.
3. Delta modulation site:wikipedia.org.
4. Дельта-сигма модуляция.
5. Space vector modulation site:wikipedia.org.
6. Direct torque control site:wikipedia.org.
7. «The sampling theorem with constant amplitude variable width pulses» J. Huang, K. Padmanabhan, and O. M. Collins.
8. Sampling: What Nyquist Didn’t Say, and What to Do About It site:wescottdesign.com.
9. XPS Delta-Sigma ЦАП.

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

Что это такое и как работает?

Цифровые сигналы имеют два положения: включено или выключено, что сокращенно интерпретируется как 1 или 0. Аналоговые сигналы, с другой стороны, могут быть включены, выключены, наполовину, две трети пути к включению и бесконечное число. позиций от 0 до 1 либо приближается к 1, либо опускается до нуля. В электронике они используются по-разному, но очень часто они должны работать вместе (именно тогда мы называем это «электроникой со смешанными сигналами»). Иногда нам приходится принимать аналоговый (реальный) входной сигнал (например.g., температура) в микроконтроллер (который понимает только цифровые). Часто инженеры переводят этот аналоговый вход в цифровой вход для микроконтроллера (MCU) с помощью аналого-цифрового преобразователя. А как насчет выходов?

PWM — это способ управления аналоговыми устройствами с цифровым выходом. Другими словами, вы можете выводить модулирующий сигнал с цифрового устройства, такого как MCU, для управления аналоговым устройством. Это одно из основных средств, с помощью которых микроконтроллеры управляют аналоговыми устройствами, такими как двигатели с регулируемой скоростью, регулируемые огни, исполнительные механизмы и динамики.Однако ШИМ не является настоящим аналоговым выходом. ШИМ «имитирует» аналогичный результат путем подачи мощности импульсами или короткими всплесками регулируемого напряжения.

Рисунок 1: Пример сигнала ШИМ, показанного при нескольких рабочих циклах и высоком уровне напряжения 5 вольт. Красная линия — это среднее напряжение, которое испытывает приводимое устройство (например, двигатель). (Источник: Тимоти Хирзель,)

Примером может служить подача полного напряжения на двигатель или лампу на доли секунды или импульсное напряжение на двигатель с интервалами, которые заставляют двигатель или лампу делать то, что вы хотите.На самом деле напряжение прикладывается, а затем снимается много раз за определенный промежуток времени, но вы испытываете аналогичный отклик. Если вы когда-либо запускали коробочный вентилятор, периодически подавая питание, вы столкнетесь с ШИМ-ответом. Вентилятор и его двигатель не останавливаются мгновенно из-за инерции, поэтому к моменту повторного включения питания он лишь немного замедлится.

Следовательно, у вас не будет резкой остановки мощности, если двигатель приводится в действие ШИМ. Продолжительность времени, в течение которого импульс находится в заданном состоянии (высокий / низкий), является «шириной» пульсовой волны.

Рисунок 2: Синие линии — это выход ШИМ микроконтроллера, а красная линия — среднее напряжение. В этом случае ширина импульса (и соответствующий рабочий цикл) изменяется так, что среднее напряжение больше похоже на аналоговый выход, который не находится в устойчивом состоянии, как показано на рисунке 1. (Источник: Zureks — собственная работа, CC BY- SA 3.0,)

Устройство, управляемое ШИМ, в конечном итоге ведет себя как среднее значение импульсов. Средний уровень напряжения может быть постоянным или подвижным (динамическим / изменяющимся во времени).Чтобы упростить пример, предположим, что ваш вентилятор с ШИМ-управлением имеет высокое напряжение 24 В. Если импульс генерируется с высоким уровнем 50% времени, мы называем это коэффициентом заполнения 50%. Термин рабочий цикл используется повсюду в электронике, но в каждом случае рабочий цикл представляет собой сравнение «включено» и «выключено».

Возвращаясь к нашему примеру с двигателем вентилятора, если мы знаем, что высокое напряжение — 24, низкое — 0 В, а рабочий цикл — 50%, то мы можем определить среднее напряжение, умножив рабочий цикл на высокий уровень импульса.Если вы хотите, чтобы двигатель работал быстрее, вы можете установить на выходе ШИМ более высокий рабочий цикл. Чем выше частота высоких импульсов, тем выше среднее напряжение и тем быстрее будет вращаться двигатель вентилятора. ЕСЛИ вы создавали свой собственный выход ШИМ, подключая вентилятор и вынимая его из розетки с равными интервалами: 1 секунда в розетку, 1 секунда — выход, тогда вы действуете как цифровой выход, который управляет вентилятором со стабильным средним значением 12 В. .

Аналогия возникает, когда вы увеличиваете частоту включения и выключения розетки так, чтобы она была в розетке только на ½ секунды, а из розетки — на ½ секунды.На данный момент ваш рабочий цикл все еще составляет 50%, но вы увеличили количество циклов в секунду до двух. В электронике мы будем определять частоту как количество циклов в секунду или герц (Гц). Вы увеличили скорость вентилятора. Эти ½ секунды — это ширина создаваемого вами импульса.

Вы, наверное, уже догадались, что ШИМ, рабочий цикл и частота взаимосвязаны. Мы используем рабочий цикл и частоту для описания ШИМ, и мы часто говорим о частоте применительно к скорости. Например, двигатель с частотно-регулируемым приводом воспроизводит отклик аналогично аналоговому устройству в реальном мире.Отдельные импульсы, которые получает двигатель VFD, для нас не различимы; насколько мы можем видеть, импульсы настолько быстрые (обычно где-то в миллисекундах), что по стандартам реального мира это просто похоже на нарастание двигателя.

Если вы возьмете рабочий цикл и умножите его на высокий уровень напряжения (который является цифровым состоянием «включено» или «1» для MCU), вы получите средний уровень напряжения, который видит двигатель. в тот момент.

Рабочий цикл

x уровень высокого напряжения = среднее напряжение

Теперь вставьте слово «мгновенный», и вы поймете, что вещи динамически меняются… что выглядит более аналогично (см. Рисунок 2):

Мгновенный рабочий цикл x уровень высокого напряжения = мгновенное среднее напряжение

Рабочий цикл может измениться, чтобы повлиять на среднее напряжение, которое испытывает двигатель.Частота циклов может увеличиваться. Пульс можно даже увеличить по длине. Все это тоже может происходить вместе, но в целом проще представить себе, что рабочий цикл увеличивается на или частота увеличивается для увеличения скорости двигателя. (Ширина импульса напрямую связана с рабочим циклом, поэтому, если вы решите увеличить ширину импульса, вы просто измените рабочий цикл.)

Единственное, что во всем этом не изменилось, — это высокий уровень напряжения, потому что «on» всегда одинаково для цифрового выхода; простое включение и выключение выхода с разной скоростью и в течение разного времени — вот как можно получить широтно-импульсную модуляцию для имитации аналогового выхода.Микроконтроллеры цифровые. Примером чего-то, что может создать настоящий аналоговый выход, может быть преобразователь (то, что напрямую переводит физическое явление в аналоговый сигнал). Но преобразователи — это другое аналоговое обсуждение.

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, в частности, 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 немедленно 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, — это то, 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 « on time » сигнала PWM 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 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 частотой сигнала ШИМ , и на этой скорости, как долго ШИМ-сигнал должен оставаться включенным, определяется рабочим циклом ШИМ-сигнал .

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 этого же показана ниже

На приведенном выше графике желтый цвет — это сигнал ШИМ, а синий — выходное аналоговое напряжение.Значение резистора R1 и конденсатора C1 может быть рассчитано 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, то 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 [Analog Devices Wiki]

Объектив

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, насколько 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 синусоидальная и трапецеидальная 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 использованием напряжения модуляции постоянного тока

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, чтобы обеспечить возбуждение цепи треугольной волны амплитудой 5 В от пика до пика, 1 кГц . 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 этом устройстве 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, протекающего через верхнюю ветвь цепи, отличается от сопротивления разрядного тока, протекающего 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) — 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!

Прекрасным примером использования ШИМ является то, что вы когда-либо приглушили 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
Wavetable Melody Generator

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
Светодиодный цветной орган
Прототипирование перфокартона
Источник питания
Устройства для поверхностного монтажа
Волоконная оптика
Комплект светодиодной матрицы

---

Если вы решите создать модульный комплект от постоянного тока к ширине импульса, мы хотели бы услышать о ваших результатах! Отправьте свою историю на [адрес электронной почты]

Основы широтно-импульсной модуляции (ШИМ): как работает ШИМ

Николас Браун — Следуйте за мной в Twitter.

Определение широтно-импульсной модуляции

Широтно-импульсная модуляция (PWM) — это изящный метод управления током, который позволяет вам управлять скоростью двигателей, теплопроизводительностью нагревателей и многим другим энергоэффективным (и обычно более тихим) способом. Существующие приложения для ШИМ включают, но не ограничиваются:

• Контроллеры вентиляторов с регулируемой скоростью.
• Приводы компрессоров VRF HVAC.
• Цепи привода двигателя гибридных и электрических транспортных средств.
• Светодиодные диммеры.

Широтно-импульсная модуляция изменила мир, снизив энергопотребление приборов, использующих двигатели, таких как кондиционеры с инвертором [ PDF ], инверторные холодильники, инверторные стиральные машины и многие другие. Например, инверторные кондиционеры в некоторых случаях могут потреблять меньше половины энергии, чем их неинверторные аналоги.

В наши дни, если устройство рекламируется как имеющее компрессор с регулируемой скоростью или вентилятор с регулируемой скоростью (это не включает двух- или трехскоростные вентиляторы), существует значительная вероятность того, что в нем используется ШИМ!

Зачем нужен ШИМ?

Начинающие инженеры-электрики могут захотеть узнать, почему им следует использовать широтно-импульсную модуляцию для управления устройствами, и у домовладельцев есть аналогичный вопрос, на который есть тот же ответ: зачем использовать инверторные кондиционеры или другие устройства с регулируемой скоростью?

Ответ на оба вопроса: ШИМ изменяет скорость двигателей бытовых приборов, поэтому они потребляют столько энергии, сколько им нужно, но без обычных последствий сжигания неиспользованного тока в виде тепла.Примером более старой альтернативы является простая транзисторная схема, которая изменяет ток, проходящий через нее, путем изменения ее сопротивления.

То же правило эффективности, которое применяется к резисторам, применимо и к транзисторам — их сопротивление приводит к потере энергии, потому что они сжигают часть ее в виде тепла. В этом отношении они действуют как обогреватели.

К счастью, эти схемы никогда не были массовыми. Такие приборы, как кондиционеры и холодильники, работали все время на полной скорости, производя много шума и тратя много энергии, потому что им приходилось часто включаться и выключаться.

PWM действительно использует транзисторы, но другим способом, как описано ниже.

Пример контроллера двигателя с ШИМ.

Если вы хотите начать работу с ШИМ, отличной точкой входа будет схема ШИМ 555, схема ШИМ Arduino (очень удобная, так как вы можете легко изменить ее поведение с помощью простой модификации исходного кода) или схема ШИМ MSP30. о котором я писал на Kompulsa.

Как работает ШИМ?

PWM работает за счет пульсации постоянного тока и изменения количества времени, в течение которого каждый импульс остается «включенным», чтобы контролировать количество тока, протекающего к устройству, например светодиоду.ШИМ является цифровым, что означает, что он имеет два состояния: включено и выключено (которые соответствуют 1 и 0 в двоичном контексте, что станет для вас более актуальным при использовании микроконтроллеров).

Чем дольше горит каждый импульс, тем ярче будет светодиод. Из-за того, что интервал между импульсами такой короткий, светодиод фактически не гаснет. Другими словами, источник питания светодиода включается и выключается так быстро (тысячи раз в секунду), что светодиод фактически остается включенным, не мигая.Это называется ШИМ-регулировкой яркости, а такая схема просто называется схемой ШИМ-регулятора яркости светодиода.

Квадраты на приведенном ниже рисунке ШИМ — это импульсы, обозначающие время «включения», а области с депрессией — время, когда питание «выключено». И квадраты, и углубленные области имеют одинаковую «ширину», поэтому рабочий цикл составляет 50%. ШИМ-сигналы обычно представляют собой прямоугольные волны, как показано на рисунке ниже.

Сигнал ШИМ (прямоугольная волна) с рабочим циклом 50%.

Если рабочий цикл источника питания с ШИМ установлен на 70%, то импульс включен в течение 70% времени и выключен в течение 30% времени.Рабочий цикл означает количество времени, в течение которого он включен. При рабочем цикле 70% яркость светодиода должна быть около 70%. Корреляция между рабочим циклом и яркостью не является линейной на 100%, поскольку эффективность светодиодов зависит от величины подаваемого тока.

Если рабочий цикл равен 0%, весь сигнал будет ровным, как показано ниже. Рабочий цикл ШИМ 0% означает, что питание отключено. В таком состоянии светодиод не работал бы. Это было бы просто выключено.

ШИМ-сигнал (прямоугольная волна) с рабочим циклом 0%.Это означает, что питание отключено.

Основная причина того, что схемы ШИМ настолько эффективны, заключается в том, что они не пытаются частично ограничить протекание тока с помощью сопротивления. Они полностью включают и полностью выключают ток. Вместо этого они просто меняют количество включенного времени.

Пример схемы диммера светодиода с ШИМ

Старомодная транзисторная схема, о которой я упоминал выше в разделе «Зачем использовать ШИМ», может, например, работать на 50% и легко тратить огромную часть из остальных 50%, которые она блокирует.

Дополнительное тепло, выделяемое традиционными транзисторными схемами, является еще одним соображением, поскольку оно может увеличить количество времени, в течение которого охлаждающие вентиляторы должны оставаться включенными, чтобы снизить температуру указанных устройств.

Сигнал ШИМ

Чтобы еще больше разбить вещи, схемы ШИМ [ PDF ] обычно включают очень крошечный источник питания и большой. Крошечный источник питания управляет большим с помощью транзисторов мощностью .

Крошечный генерирует сигнал , а «мощность », которая представляет собой большой ток и напряжение, которые фактически питают светодиод, управляется вышеупомянутыми транзисторами.Этим крошечным источником питания может быть вывод GPIO микроконтроллера, такой как вывод ввода-вывода Arduino, вывод таймера 555 и другие.

Установка рабочего цикла сигнала на 30% также приведет к рабочему циклу 30% для мощности, поскольку большой ток — это просто усиленная копия крошечного тока (который является сигналом).

Эта концепция позволяет очень сложным микроконтроллерам (часто называемым микроконтроллерам) и другим компьютерам управлять очень большими токами по разумной цене.Микроконтроллер / MCU генерирует сигнал, затем этот сигнал управляет силовым транзистором.

Дополнительная литература

Введение в микроконтроллеры — Венский технологический университет [ PDF ].

Как сгенерировать сигнал ШИМ с помощью Arduino — Государственный университет Портленда [ PDF ].

Как работают полупроводники и транзисторы — Университет Вирджинии.

Как создать контроллер вентилятора с ШИМ-управлением с критичным для безопасности микроконтроллером Hercules — Kompulsa.

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 «продублировать» 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 продолжали гореть 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.