Понедельник, 26.06.2017, 13:33
Регистрация RSS
Приветствую Вас, Гость
Статистика



Онлайн всего: 4
Гостей: 4
Пользователей: 0
Мини-чат
Ресурсы

Канал YOUTUBE autoscienceAiD

Профиль Google+ Autoscience

Группа Вконтакте Autoscience

Главная » 2013 » Декабрь » 18 » Широтно-Импульсная Модуляция (Pulse-Width Modulation)
23:29
Широтно-Импульсная Модуляция (Pulse-Width Modulation)

   Уже в первых экспериментах с коллекторным моторчиком и батарейкой можно было заметить, что при частом попеременном включении и выключении электромотора частота вращения его ротора изменяется. То есть происходила регулировка скорости вращения путём периодичного включения и отключения тока через моторчик. Если изменять при этом время в подключённом состоянии и длину паузы между подключениями, можно регулировать скорость вращения мотора. Такой же эффект проявляется практически с любым потребителем электрического тока, имеющим определённую инерцию, т.е. способным запасать энергию.

   Именно этот эффект положен в основу принципа Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ), также встречается английское сокращение - PWM (Pulse-Width Modulation).

   Электрический импульс - это всплеск напряжения или тока в определённом и конечном промежутке времени. Импульс всегда имеет начало (передний фронт) и конец (спад). 

   В цифровой электронике все сигналы могут быть представлены всего двумя уровнями напряжения: "логической единицей" и "логическим нулём". Это всего лишь условные величины напряжения. "Логической единице" приписывается высокий уровень напряжения, обычно около 2-3 вольт, "логическим нулём" считается близкое к нулю напряжение. Цифровые импульсы графически изображаются прямоугольными или трапециевидными по форме:

 

   Главной величиной одиночного импульса является его длина. Длина импульса - это отрезок времени, в течение которого рассматриваемый логический уровень имеет одно устойчивое состояние. На рисунке латинской буквой t отмечена длина импульса высокого уровня, то есть логической "1". Длина импульса измеряется в секундах, но чаще в миллисекундах (мс /  ms), микросекундах (мкс / μs) и даже наносекундах (нс / ns).

   Чем больше импульсов, тем больше информации можно ими передать. У множества импульсов появляется много характеристик.


   Частота импульсов - это количество полных импульсов за 1 с, Гц / Hz.

   Период импульсов - это промежуток времени, между двумя характерными точками двух соседних импульсов, обычно между двух фронтов или двух спадов соседних импульсов. 

T=1/F

Если длина импульса t точно равна половине периода T, то такой сигнал часто называют "меандр". 

   Скважность импульсов S - отношение периода импульсов к их длительности:

S=T/t

   Скважность безразмерная величина и может быть выражена в процентах.

   Коэффициент заполнения / Duty cycle D - величина, обратная скважности обычно выражается в процентах:

D=1/S

   Если увеличивать или уменьшать длину импульса и при этом на столько же уменьшать или увеличивать паузу между импульсами, то период следования импульсов и частота останется неизменной.


   Несколько импульсов объединенных в группы с паузами определённой длины между ними называют пачками или пакетами. Генерируя разное число импульсов в группе и варьируя его, можно также передавать какую-либо информацию. 

   Для передачи информации в цифровой электронике можно использовать два и более проводников или каналов с разными импульсными сигналами. При этом информация передаётся с учётом определённых правил. Такой метод позволяет заметно увеличить скорость передачи информации или добавляет возможность управлением потоком информации между различными схемами. 

   Перечисленные возможности передачи информации с помощью импульсов могут быть использованы как сами по себе раздельно, так и в комбинации между собой. 
Существуют также множество стандартов передачи информации с помощью импульсов, например I2C, SPI, CAN, USB, LPT.

Широтно-Импульсная Модуляция - это способ кодирования аналогового сигналa путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. 

Частота импульсов, а значит, и период T, остаются неизменными, при уменьшении ширины импульса t увеличивается пауза между импульсами (Б на Рис) и наоборот: при расширении импульса пауза сужается (В на Рис).

Зависимость напряжения от скважности ШИМ

   Если сигнал ШИМ пропустить через фильтр низших частот, то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Назначение фильтра - не пропускать несущую частоту ШИМ. Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC цепи, или же может отсутствовать вовсе, например, если оконечная нагрузка имеет достаточную инерцию. 

   Таким образом, имея в расположении лишь два логических уровня, "единицу" и "ноль", можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала. 

   Часто в схемах с ШИМ применяют обратную связь для управления длительностью импульса по той или иной закономерности, например, в схемах PID-регуляторов. 

   Простейшую схему ШИМ-управления можно собрать всего на нескольких транзисторах. Схема представляет собой одну из разновидностей генераторов импульсов - мультивибратор. Во время задающей цепи баз обоих транзисторов включён переменный резистор R6. Вращая его движок, можно в некоторых пределах регулировать скважность выходных импульсов. 


Мультивибратор с ШИМ

   Данная схема способна работать в широких пределах питающего напряжения от 5 до 15 вольт, можно использовать любые широко распространенные транзисторы и любой выпрямительный диод, номиналы сопротивлений могут отличаться на 10%. В качестве нагрузки можно использовать любой мотор, насчитанный на то напряжение питания, которым питается вся схема. Можно также подключить лампу накаливания и наблюдать изменение её яркости свечения, если подключить малогабаритный "динамик", то при вращении движка потенциометра можно услышать изменение характера звука. 

   Схемы простейших широтно-импульсных модуляторов можно построить и на логических элементах, и на микросхеме универсального таймера NE555 (отечественный аналог - КР1006ВИ1), и на операционном усилителе. Существуют и специально разработанные ШИМ-контроллеры. 

   В большинстве этих схем для изменения ширины выходного импульса так или иначе используется аналоговое напряжение. В цифровой же электронике для прямых операций с аналоговыми сигналами необходимо усложнять схему. Поэтому схемы ШИМ-управления в цифровой технике строят на принципе отсчёта определённого числа импульсов задающего генератора. Так, задавая количество отсчитываемых импульсов, можно точно отмерять длительность выходного импульса и паузы между импульсами. 

   На рисунке ниже приведен один из вариантов схемы с цифровой установкой ширины выходного импульса. Схема собрана на распространённых цифровых микросхемах серии К155 (зарубежный аналог - серия 74). В качестве коммутирующего элемента P1 для эксперимента можно применить переключатель на 16 положений или просто подсоединять вход сброса RS-триггера к нужному выходу дешифратора. В реальной же схеме можно применить микросхему селектор К155КП1 с соответствующей схемой цифрового управления. 


Цифровое формирование ШИМ

   В этой схеме применен четырёхразрядный двоичный счётчик К155ИЕ5. Максимальное число, которое можно представить, имея четыре разряда - 16. Поэтому в этой схеме частота выходных импульсов ШИМ будет в 16 раз ниже частоты счёта счётчика. И таким же будет количество градаций регулировки ширины импульсов. При разработке цифровых устройств с ШИМ следует помнить, что чем больше разрядность ШИМ, тем больше градаций импульса можно получить и тем выше частота работы счётчика. 

   Практически во всех современных микроконтроллерах имеются встроенные средства формирования одного или более независимых каналов ШИМ. Очень гибкие возможности конфигурации ШИМ-формирователя микроконтроллера позволяют использовать их в разнообразных схемах электронного управления и автоматики. 

   Пожалуй, наиболее часто ШИМ применяется для управления различными типами моторов. Тут основным достоинством ШИМ-управления является то, что электронный ключ (обычно транзистор) работает в ключевом режиме, что заметно повышает экономичность схемы, так как потери на активных элементах сводятся к минимуму. 

   Кроме того, широтно-импульсная модуляция применяется для формирования аналоговых сигналов сложной формы, в импульсных стабилизаторах, для кодирования и помехозащищённой передачи аналоговой информации. 

 Источник: http://www.myrobot.ru

Просмотров: 9988 | Добавил: AlexKn | Теги: Pulse-Width Modulation, Широтно-Импульсная Модуляция, скважность, Шим, PWM | Рейтинг: 4.0/9
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]