Широтно-импульсная модуляция состоит в изменении ширины (длительности) импульсов, следующих друг за другом с постоянной частотой. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) действительным бинарным (с двумя уровнями - вкл/выкл), так что в среднем, за отрезок времени, их значения равны. Основным регулирующим фактором выступает относительная длительность импульсов или коэффициент заполнения
где Т – период следования импульсов. При односторонней ШИМ, опорное напряжение представляет собой периодические пилообразные колебания. В этом случае модуляция осуществляется изменением положения только одного фронта импульса. Для двусторонней ШИМ, требуется треугольное (желательно равностороннее) опорное напряжение. Двусторонняя ШИМ, обладает более высоким быстродействием, чем односторонняя, поэтому ее применяют чаще. Если входной сигнал – биполярный, то должны меняться полярность и среднее значение выходного напряжения. При этом возможны два типа модуляции разнополярная ШИМ и однополярная ШИМ.
1. Формулировка задания
В данной курсовой работе разрабатывается широтно-импульсный модулятор со следующими параметрами:
Таблица 1. Содержание задания
2. Разработка функциональной схемы устройства
Рассмотрим функциональную схему и принцип работы устройства.
 |
Рисунок 1 – Функциональная схема
Генератор прямоугольных импульсов необходим для образования импульсов на следующем блоке – ГЛИНе.
Исходя из задания, определяем, что в качестве опорного напряжения должны быть «треугольники». На выходе ГЛИНа имеем треугольные импульсы, которые являются тем самым опорным напряжением, подаваемым на компаратор.
Компаратор устройство, на отрицательный вход которого подаётся опорный сигнал в виде треугольников, а на положительный − модулируемый непрерывный аналоговый сигнал.
По заданию, модулируемым сигналом является синусоида с частотой 200Гц.
Так же согласно заданию, амплитуда выходных сигналов, должна быть 10В. Нужную амплитуду обеспечивает электронный ключ.
3. Функциональные блоки
3.1 Генератор прямоугольных импульсов
Кварцевый генератор - генератор колебаний, синтезируемых кварцевым резонатором, входящим в состав генератора. Обычно обладает небольшой выходной мощностью.
Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.
Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.
Используем Генератор Пирса. В схеме используется минимум компонентов: один цифровой инвертор, один резистор, два конденсатора и кристалл кварца, который действует как высокоизбирательный элемент фильтра.
Генератор с RC частотно-задающей цепью, принцип его работы основан на процессе зарядки-разрядки конденсатора С через резистор R. Через этот резистор осуществляется ООС по постоянному току, а через конденсатор-ПОС по переменному.
Второй инвертор в схеме генератора предназначен для уменьшения длительности фронтов формируемого прямоугольного колебания. Это необходимо для уменьшения влияния последующей схемы на стабильность колебаний задающего генератора, а также для более надёжной работы цифровых счётчиков делителя частоты.
Рисунок 2 – Блок 1. Генератор прямоугольных напряжений
Схема делителя частоты до значения нужной частоты. Для реализации делителя потребуется микросхема 561ИЕ16.
3.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения
Этот блок представляет собой генератор треугольного напряжения. В настоящее время генераторы с малым коэффициентом нелинейности (ε<0,0) и слабым влиянием нагрузки на форму выходного напряжения создаются с использованием операционных усилителей.
В частности, распространены генераторы на основе интегратора, управляемого входным импульсом напряжения прямоугольной формы. Элементами схемы являются источник питания, зарядный резистор R 6 , конденсатор С3 и разрядный транзистор VT1. Выходное напряжение генератора представляет собой, усиленное операционным усилителем, напряжение на конденсаторе. ОУ охвачен отрицательной (R 5 и R 9) и положительной (резистор R 10) обратными связями.
Рисунок 3 – ГЛИН
Генератор работает следующим образом. В момент, когда полевой транзистор VT1 закрыт, происходит заряд конденсатора С3 через резисторы R10 и R7. Как только мы подаем импульс на VT1, происходит разряд конденсатора этот полевой транзистор.
3.3 Компаратор
Данный блок представляет собой компаратор, суть работы которого заключается в сравнении двух входящих сигналов, и получении на выходе импульсов различной длительности. На отрицательный вход подаётся опорный сигнал, т.е. «треугольные импульсы», а на положительный - сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте треугольных импульсов. Ту часть периода, которую входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже - нуль.
Рисунок 4 - Компаратор
3.4 Электронный ключ
Для получения на выходе импульсов нужной амплитуды используем транзистор VT2 и элемент «И-НЕ» DD5. Резистор R13 ограничивает ток на вход базы транзистора. Резистор R15 является нагрузкой.
Рисунок 5 – Схема электронного ключа
4. Расчётная часть и выбор элементов схемы
4.1 Расчет генератора импульсов
На рисунке 6 показан генератор, со стоящий из активного элемента – инвертора – и пассивного элемента – кварцевого резонатора.
Рисунок 6 – Кварцевый генератор
Вместо одного инвертора можно поставить любое нечетное количество инверторов.
Рисунок 7 – Эквивалентная схема замещения
Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рисунке 7.
Генератор Пирса – одна из наиболее популярных схем. Она является основой практически всех генераторов на одном вентиле. Кварц ведет себя как большая индуктивность, так как он подключен параллельно. Роль нагрузки на выход резонатора играют конденсаторы C1 и C2. Конденсаторы C1 и C2 играют роль нагрузочной емкости кварцевого резонатора.
В качестве резонатора выбираем кварцевый резонатор: KX-49 номинальная частота которого - 2.4576 МГц. В таблице 2 приведены параметры кварцевого резонатора.
Таблица 2 Параметры KX-49
| С L | R 1 | C 0 | F |
| 30пФ | 200 Ом | 7пФ | 2,4576 МГц |
Резистор R1 предназначен для автоматического запуска генератора при включении питания. Этот же элемент определяет коэффициент усиления инвертора, и чем больше будет этот коэффициент усиления, тем более прямоугольные колебания будут формироваться на его выходе, а это, в свою очередь, приведёт к снижению тока, потребляемого кварцевым генератором. Выберем номинал резистора R1 равным 1Мом.
Резистор R2 увеличивает импеданс цепи, с тем чтобы вместе с конденсатором C2 увеличить фазовый сдвиг. Это нужно для того, чтобы генератор заработал на нужной, а не на большей частоте. Резистор также изолирует выход инвертора от цепи резонатора и этим сохраняет прямоугольную форму импульса. Номинал резистора должен быть примерно равен импедансу нагрузки Z L , который можно вычислить по приведенной формуле:
Импульсы с частотой f=2,4576 МГц поступают на счетчик ИЕ16, с Q7 выхода счетчика получаем импульсы с частотой f/ 256=9.6 кГц.
4.2 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения
В качестве генератора линейно изменяющегося напряжения выбирается схема на рисунке 5.
Рассматриваемый ГЛИН выполнен на базе интегратора напряжения (DD2, RC- цепь, источник питания U1), управляемого генератором прямоугольных импульсов и источника питания U1. Когда транзистор закрыт, через него протекает неуправляемый (начальный) ток стока. При открытом транзисторе ток через транзистор должен определяться величиной сопротивления нагрузки и напряжением питания.
Когда линейно изменяющееся напряжение Uc(t) на выходе интегратора достигнет значения напряжения срабатывания, происходит подача сигнала управления, под действием которого ключевой транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор. Далее процесс повторяется с периодом:
Задаемся частотой раной 9,6 кГц.
Напряжение Ucm целесообразно выбирать минимальным, чтобы исключить влияние разброса параметров используемых резисторов на коэффициент нелинейности формируемого напряжения.
Максимальное напряжение на конденсаторе связано с длительностью зависимостью
t
Выбираем U1 = 5В, U2=0В, тогда Ucm = 5В.
Выбираем R 6 = R 5 = 10 кОм,тогда С 3 = 96нФ.
Исходя из следующего, найдем R9.
Uвых = 10 В, тогда:R 9 = Ucmax*R 6 / Uвых = 5*10000/10≈ 2 кОм, берем ближайшее по номиналу
R 9 = R 10 =2 кОм
В качестве ОУ DD3 выбран 140УД7. Питание ±10В.
4.3 Выбор компаратора
В качестве компаратора DD4 используется 521СА3 для обеспечения стабильной работы ШИМ.
Технические характеристики аналогового компаратора 521СА3
Аналог LM111
Входной ток не более 100 нА
Коэффициент усиления не менее 200000
Ток нагрузки до 50 мА
Питание +5...+30 или ±3...±15 В
Области применения
Детекторы пересечения нуля
Детекторы перенапряжений
Широтно-импульсные модуляторы
Прецизионные выпрямители
Аналого-цифровые преобразователи
Резистор R12 в сочетании с диодами D1 и D2 ограничивает размах входного сигнала. Благодаря диодам в ограничиваем размах входного напряжения значениями -12,6 В до +12,6 В, условие состоит в том, что отрицательное входное напряжение не должно достигать значения напряжения пробоя (например, для диода типа КД510А это значение составляет - 50 В).
Таблица 3 Параметры выбранного транзистора
| Наимен. | U обр. ,В | I пр. max, A | I обр. max, мкА | F d max, кГц |
| КД510А | 50 | 0.2 | 5 | 200000 |
4.4 Расчет электронного ключа
В качестве ключа выбирается следующая схема:
Рисунок 9 – Схема электронного ключа
Rн =0,5 к Ом, Uвых =10В.
Iк=Uвых/Rн=10/500=50mА
По справочнику ищем транзистор, который выдержит заданный ток коллектора (0,05А). Транзистор КТ315А держит постоянный ток до 0,1 А.
Из справочника - h21э, для КТ315А
Считаем базовый ток Iб=Ik/h21э=0.05/30≈ 1,67 mA, на базу надо подводить ток не ниже 167 мкА.
R14 – согласующее сопротивление между компаратором DD3 и транзистором VT2. Выберем R16 = 200 Ом.
R вых =R 15 =500 Ом по заданию, из ряда выбираем 510 Ом. на выходе необходимо получить 10 В, тогда рассчитаем величину резистора R 14
(U пит -U вых)/R 14 =U вых /R 15 ,
откуда R 14 =2R 15 /10=102 Ом, из стандартного ряда выбираем номинал 100 Ом. Рассеиваемая мощность 10В*1.25mA≈0,0125 Вт
Таблица 4. Параметры выбранного транзистора КТ315А
5. Моделирование схемы
Выходной сигнал с генератор треугольных импульсов:
Выходной сигнал с генератора прямоугольных импульсов:
Моделируемый сигнал:
Процесс модуляции:
Период выходного сигнала:
Наименьшая длительность импульса:
Длительность должна быть равна 5,12 мкс. По графику видно, что она составляет 5,56мкс.
Наибольшая длительность импульса:
Длительность импульса должна составлять 97,37мкс. По графику видно, что она равна 97,74 мкс.
Заключение
В данной курсовой работе разработали принципиальную схему и произвели расчет схемы Широтно-Импульсного модулятора. На вход устройства ШИМ подается синусоида с частотой согласно заданию – 200 Гц, на выходе имеем преобразованный ШИМ сигнал, амплитуда которого 10 В. Диапазон изменения относительной длительности выходных импульсов данного ШИМ составляет – 0.05 ÷ 0.95. Разработанный широтно-импульсный модулятор является достаточно простым. Моделирование схемы производили с помощью пакета CircuitMaker.
Список использованной литературы
1. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Кварцевые резонаторы: справочное пособие. М.:Радио и связь, 1984.-232с., ил.
2. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. шестое. М.: Мир, 2001.
3. Лекционный курс по ЭЦиМС (преподаватель Андреев И.Б.).
4. Цифровые КМОП микросхемы, справочник, Партала О.Н. – СПб: Наука и техника, 2001. - 400 стр. с ил.
5. Л. Лабутин, Кварцевые резонаторы. - Радио, 1975, №3.
6. Генераторы прямоугольных импульсов на микросхемах КМОП. В. Стрижов,Схемотехника, 2000, № 2, стр. 28
7. Забродин Ю.С., Промышленная электроника: учебник для вузов. - М.: Высш. Школа, 1982. – 496с., ил.
Широтно-импульсная модуляция состоит в изменении ширины (длительности) импульсов, следующих друг за другом с постоянной частотой. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) действительным бинарным (с двумя уровнями - вкл/выкл), так что в среднем, за отрезок времени, их значения равны. Основным регулирующим фактором выступает относительная длительность импульсов или коэффициент заполнения
,где Т – период следования импульсов. При односторонней ШИМ, опорное напряжение представляет собой периодические пилообразные колебания. В этом случае модуляция осуществляется изменением положения только одного фронта импульса. Для двусторонней ШИМ, требуется треугольное (желательно равностороннее) опорное напряжение. Двусторонняя ШИМ, обладает более высоким быстродействием, чем односторонняя, поэтому ее применяют чаще. Если входной сигнал – биполярный, то должны меняться полярность и среднее значение выходного напряжения. При этом возможны два типа модуляции разнополярная ШИМ и однополярная ШИМ.
1. Формулировка задания
В данной курсовой работе разрабатывается широтно-импульсный модулятор со следующими параметрами:
Таблица 1. Содержание задания
2. Разработка функциональной схемы устройства
Рассмотрим функциональную схему и принцип работы устройства. |
Рисунок 1 – Функциональная схема
Генератор прямоугольных импульсов необходим для образования импульсов на следующем блоке – ГЛИНе.
Исходя из задания, определяем, что в качестве опорного напряжения должны быть «треугольники». На выходе ГЛИНа имеем треугольные импульсы, которые являются тем самым опорным напряжением, подаваемым на компаратор.
Компаратор устройство, на отрицательный вход которого подаётся опорный сигнал в виде треугольников, а на положительный − модулируемый непрерывный аналоговый сигнал.
По заданию, модулируемым сигналом является синусоида с частотой 200Гц.
Так же согласно заданию, амплитуда выходных сигналов, должна быть 10В. Нужную амплитуду обеспечивает электронный ключ.
3. Функциональные блоки
3.1 Генератор прямоугольных импульсов
Кварцевый генератор - генератор колебаний, синтезируемых кварцевым резонатором, входящим в состав генератора. Обычно обладает небольшой выходной мощностью.
Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.
Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.
Используем Генератор Пирса. В схеме используется минимум компонентов: один цифровой инвертор, один резистор, два конденсатора и кристалл кварца, который действует как высокоизбирательный элемент фильтра.
Генератор с RC частотно-задающей цепью, принцип его работы основан на процессе зарядки-разрядки конденсатора С через резистор R. Через этот резистор осуществляется ООС по постоянному току, а через конденсатор-ПОС по переменному.
Второй инвертор в схеме генератора предназначен для уменьшения длительности фронтов формируемого прямоугольного колебания. Это необходимо для уменьшения влияния последующей схемы на стабильность колебаний задающего генератора, а также для более надёжной работы цифровых счётчиков делителя частоты.
Рисунок 2 – Блок 1. Генератор прямоугольных напряжений
Схема делителя частоты до значения нужной частоты. Для реализации делителя потребуется микросхема 561ИЕ16.
3.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения
Этот блок представляет собой генератор треугольного напряжения. В настоящее время генераторы с малым коэффициентом нелинейности (ε<0,0) и слабым влиянием нагрузки на форму выходного напряжения создаются с использованием операционных усилителей.
В частности, распространены генераторы на основе интегратора, управляемого входным импульсом напряжения прямоугольной формы. Элементами схемы являются источник питания, зарядный резистор R 6 , конденсатор С3 и разрядный транзистор VT1. Выходное напряжение генератора представляет собой, усиленное операционным усилителем, напряжение на конденсаторе. ОУ охвачен отрицательной (R 5 и R 9) и положительной (резистор R 10) обратными связями.
Рисунок 3 – ГЛИН
Генератор работает следующим образом. В момент, когда полевой транзистор VT1 закрыт, происходит заряд конденсатора С3 через резисторы R10 и R7. Как только мы подаем импульс на VT1, происходит разряд конденсатора этот полевой транзистор.
3.3 Компаратор
Данный блок представляет собой компаратор, суть работы которого заключается в сравнении двух входящих сигналов, и получении на выходе импульсов различной длительности. На отрицательный вход подаётся опорный сигнал, т.е. «треугольные импульсы», а на положительный - сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте треугольных импульсов. Ту часть периода, которую входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже - нуль.
Рисунок 4 - Компаратор
3.4 Электронный ключ
Для получения на выходе импульсов нужной амплитуды используем транзистор VT2 и элемент «И-НЕ» DD5. Резистор R13 ограничивает ток на вход базы транзистора. Резистор R15 является нагрузкой.
Рисунок 5 – Схема электронного ключа
4. Расчётная часть и выбор элементов схемы
4.1 Расчет генератора импульсов
На рисунке 6 показан генератор, со стоящий из активного элемента – инвертора – и пассивного элемента – кварцевого резонатора.
Рисунок 6 – Кварцевый генератор
Вместо одного инвертора можно поставить любое нечетное количество инверторов.
Рисунок 7 – Эквивалентная схема замещения
Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рисунке 7.
Генератор Пирса – одна из наиболее популярных схем. Она является основой практически всех генераторов на одном вентиле. Кварц ведет себя как большая индуктивность, так как он подключен параллельно. Роль нагрузки на выход резонатора играют конденсаторы C1 и C2. Конденсаторы C1 и C2 играют роль нагрузочной емкости кварцевого резонатора.
В качестве резонатора выбираем кварцевый резонатор: KX-49 номинальная частота которого - 2.4576 МГц. В таблице 2 приведены параметры кварцевого резонатора.
Таблица 2 Параметры KX-49
| С L | R 1 | C 0 | F |
| 30пФ | 200 Ом | 7пФ | 2,4576 МГц |
Резистор R1 предназначен для автоматического запуска генератора при включении питания. Этот же элемент определяет коэффициент усиления инвертора, и чем больше будет этот коэффициент усиления, тем более прямоугольные колебания будут формироваться на его выходе, а это, в свою очередь, приведёт к снижению тока, потребляемого кварцевым генератором. Выберем номинал резистора R1 равным 1Мом.
Резистор R2 увеличивает импеданс цепи, с тем чтобы вместе с конденсатором C2 увеличить фазовый сдвиг. Это нужно для того, чтобы генератор заработал на нужной, а не на большей частоте. Резистор также изолирует выход инвертора от цепи резонатора и этим сохраняет прямоугольную форму импульса. Номинал резистора должен быть примерно равен импедансу нагрузки Z L , который можно вычислить по приведенной формуле:
Импульсы с частотой f=2,4576 МГц поступают на счетчик ИЕ16, с Q7 выхода счетчика получаем импульсы с частотой f/ 256=9.6 кГц.
4.2 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения
В качестве генератора линейно изменяющегося напряжения выбирается схема на рисунке 5.
Рассматриваемый ГЛИН выполнен на базе интегратора напряжения (DD2, RC- цепь, источник питания U1), управляемого генератором прямоугольных импульсов и источника питания U1. Когда транзистор закрыт, через него протекает неуправляемый (начальный) ток стока. При открытом транзисторе ток через транзистор должен определяться величиной сопротивления нагрузки и напряжением питания.
8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях
8.1. Общие сведения
Принципы импульсного управления и модуляции рассмотрены в гл. 4 на примере простейшей схемы регулятора постоянного тока. При этом даны определения основных видов импульсной модуляции, используемых в теории линейных импульсных систем, которые соответствуют практике управления импульсными преобразователями постоянного тока.
Однако широтно-импульсная модуляция напряжений или токов в преобразователях переменного тока имеет в силовой электронике несколько иное определение, учитывающее особенности ШИМ при решении задач преобразования электроэнергии на переменном токе. Согласно определению МЭК 551-16-30, широтно- импульсной модуляцией называется импульсное управление, при котором ширина или частота импульсов или и та и другая модулируются в пределах периода основной частоты для того, чтобы создать определенную форму кривой выходного напряжения. В большинстве случаев ШИМ осуществляется в целях обеспечения синусоидальности напряжения или тока, т. е. снижения уровня высших гармоник относительно основной (первой) гармоники, и называется синусоидальной. Различают следующие основные методы обеспечения синусоидальности: аналоговая ШИМ и ее модификации; избирательное (селективное) подавление высших гармоник; гистерезисная или дельта-модуляция;
модуляция пространственного вектора.
Классическим вариантом организации аналоговой синусоидальной ШИМ является изменение ширины импульсов, формирующих выходное напряжение (ток) посредством сравнения сигнала напряжения заданной формы, называемого опорным или эталонным, с сигналом напряжения треугольной формы, имеющим более высокую частоту и называемым несущим сигналом. Опорный сигнал является модулирующим и определяющим требуемую форму выходного напряжения (тока). Существует много модификаций этого метода, в которых модулирующие сигналы представлены специальными функциями, отличными от синусоиды. В конспекте лекций будет рассмотрено несколько основных схем поясняющих эти методы ШИМ.
Метод избирательного подавления высших гармоник в настоящее время успешно реализуется средствами микропроцессорных контроллеров на основе программного обеспечения. Гистерезисная модуляция основана на принципах релейного «слежения» за опорным сигналом, например, синусоидальной формы. В простейшем техническом исполнении этот метод сочетает принципы ШИМ и ЧИМ (частотно-импульсной модуляции). Однако посредством специальных схемотехнических мер можно стабилизировать частоту модуляции или ограничить диапазон ее изменения.
Метод модуляции пространственного вектора основан на преобразовании трехфазной системы напряжения в двухфазную и получении обобщенного пространственного вектора. Величина этого вектора рассчитывается в моменты, определяемые основной и модулирующей частотами. Он считается весьма перспективным для управления трехфазными инверторами, в частности, при использовании их в электроприводе. В то же время он во многом сходен с традиционной синусоидальной ШИМ.
Системы управления на основе ШИМ позволяют не только обеспечить синусоидальную форму усредненных значений основной гармоники напряжения или тока, но и управлять значениями ее амплитуды, частоты и фазы. Так как в этих случаях в преобразователе используются полностью управляемые ключи, то становится возможным реализовать работу преобразователей переменного (постоянного) тока совместно с сетью переменного тока во всех четырех квадрантах в режимах как выпрямления, так и инвертирования с любым заданным значением коэффициента мощности основной гармоники cosφ в диапазоне от -1 до 1. Более того, с увеличением несущей частоты расширяются возможности воспроизведения на выходе инверторов тока и напряжения заданной формы. Это позволяет создавать активные фильтры для подавления высших гармоник.
Основные определения, используемые при дальнейшем изложении, рассмотрим на примере применения первого метода в однофазной полу мостовой схеме инвертора напряжения (рис. 8.1, а ). В этой условной схеме ключи S 1 и S 2 представлены полностью управляемыми коммутационными элементами, дополненными последовательно и параллельно соединенными с ними диодами. Последовательные диоды отражают однонаправленную проводимость ключей (например, транзисторов или тиристоров), а параллельные обеспечивают проводимость обратных токов при активно-индуктивной нагрузке.
Диаграммы опорного, модулирующего u M (θ) и несущего u H (θ) сигналов приведены на рис. 8.1, б . Формирование импульсов управления ключами S 1 и S 2 осуществляется по следующему принципу. При u M (θ) > u H (θ) ключ S 1 включен, a S 2 выключен. При u M (θ) < u H (θ) состояния ключей изменяются на противоположные: S 2 - включен, a S 1 - выключен. Таким образом, на выходе инвертора формируется напряжение в виде двух полярных импульсов. В реальных схемах для исключения одновременной проводимости ключей S 1 и S 2 следует предусматривать определенную задержку между моментами формирования сигналов на включение этих ключей. Очевидно, что ширина импульсов зависит от соотношения амплитуд сигналов u M (θ) и u H (θ). Параметр, характеризующий это соотношение, называется индексом амплитудной модуляции и определяется по формуле (8.1):
, (8.1.)
где U M m и U H m - максимальные значения модулирующего сигнала u M (θ) и несущего сигнала u H (θ) соответственно.
Рис. 8.1. Однофазный полу мостовой инвертор напряжения: а – схема; б – диаграммы напряжения при импульсной модуляции
Частота несущего сигнала u H (θ) равна частоте коммутации f H ключей S 1 и S 2 и обычно значительно превышает частоту модулирующего сигнала f M . Соотношение частот f H и f M является важным показателем эффективности процесса модуляции и называется индексом частотной модуляции, который определяется по формуле (8.2):
При малых значениях M f сигналы u M (θ) и u H (θ) должны быть синхронизированы, чтобы избежать появления нежелательных субгармоник. В в качестве максимального значения My , определяющего необходимость синхронизации, устанавливается М f = 21. Очевидно, что при синхронизированных сигналах и коэффициент M f является постоянной величиной.
Из диаграммы на рис. 8.1 видно, что амплитуда первой гармоники выходного напряжения U am 1 может быть с учетом (8.1) представлена в следующем виде (8.3):
(8.3)
Согласно (8.3) при М a = 1 амплитуда первой гармоники выходного напряжения равна высоте прямоугольника полуволн U d /2. Характерная зависимость относительного значения первой гармоники выходного напряжения от значения М a представлена на рис. 8.2, из которого видно, что изменение М a от 0 до 1 линейно и зависит от амплитуды U am 1 . Предельное значение величины М a определяется принципом рассматриваемого вида модуляции, согласно которому максимальное значение U am 1 ограничено высотой полуволны прямоугольной формы, равной U d /2. При дальнейшем увеличении коэффициента М a модуляция приводит к нелинейному возрастанию амплитуды U am 1 до максимального значения, определяемого формированием на выходе инвертора напряжения прямоугольной формы, которое в дальнейшем остается неизменным.
Разложение прямоугольной функции в ряд Фурье дает максимальное значение (8.4):
(8.4)
Эта величина ограничивается значением индекса М а, изменяющегося в диапазоне от 0 до примерно 3. Очевидно, что функция на интервале а-б значений от 1 до 3,2 является нелинейной (рис. 8.2). Режим работы на этом участке называется сверх модуляцией.
Значение M f определяется выбором частоты несущего сигнала u H (θ) и существенно влияет на технические характеристики преобразователя. С ростом частоты увеличиваются коммутационные потери в силовых ключах преобразователей, но при этом улучшается спектральный состав выходного напряжения и упрощается решение задачи фильтрации высших гармоник, обусловленных процессом модуляции. Важным фактором выбора значения f H во многих случаях является необходимость обеспечения его значения в звуковом диапазоне частоты более 20 кГц. При выборе f H следует также учитывать уровень рабочих напряжений преобразователя, его мощность и другие параметры.
Рис. 8.2. Зависимость относительного значения амплитуды основной гармоники выходного напряжения от индекса амплитудной модуляции для однофазной полу мостовой схемы
Общей тенденцией здесь является рост значений M f преобразователей малой мощности и низких напряжений и наоборот. Поэтом выбор M f является многокритериальной оптимизационной задачей.
Импульсная модуляция со стохастическим процессом . Использование ШИМ в преобразователях связано с появлением высших гармоник в модулируемых напряжениях и токах. При этом в спектральном составе этих параметров наиболее значительные гармоники возникают на частотах, кратных индексу частотной модуляции M f и сгруппированных около них на боковых частотах гармоник с убывающими амплитудами. Высшие гармоники могут порождать следующие основные проблемы:
возникновение акустических шумов;
ухудшение электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими электротехническими устройствами или системами.
Основными источниками акустических шумов являются электромагнитные компоненты (дроссели и трансформаторы), на которые воздействуют ток и напряжение, содержащие высшие гармоники с частотами звукового диапазона. Следует отметить, что шумы могут возникать на определенных частотах, где высшие гармоники имеют максимальное значение. Факторы, вызывающие шумы, например явление магнитострикции, усложняют разрешение проблемы ЭМС. Проблемы с ЭМС могут возникать в широком частотном диапазоне в зависимости от критичности к уровню электромагнитных помех электротехнических устройств. Традиционно для снижения уровня шумов использовались конструктивные и технологические решения, а для обеспечения ЭМС применялись пассивные фильтры.
В качестве перспективного направления решения этих проблем рассматриваются методы, связанные с изменением характера спектрального состава модулируемых напряжений и токов. Сущность этих методов состоит в выравнивании частотного спектра и снижении амплитуды явно выраженных гармоник за счет стохастического их распределения в широком частотном диапазоне. Такой прием иногда называется «размазыванием» частотного спектра. Концентрация энергии помех уменьшается на частотах, где гармоники могут иметь максимальные значения. Реализация этих методов не связана с воздействием на компоненты силовой части преобразователей и в большинстве случаев ограничена программными средствами с незначительным изменением системы управления.
Рассмотрим кратко принципы реализации этих методов. В основе ШИМ лежит изменение коэффициента заполнения γ= t и / T n , где t и - длительность импульса; Т n - период его формирования. Обычно эти величины, а также положение импульса на интервале периода Т n являются постоянными в установившихся режимах. Результаты ШИМ определяются как интегральные усредненные значения. В этом случае детерминированные значения t и и включая положение импульса, обусловливают неблагоприятный спектральный состав модулируемых параметров. Если этим величинам придать случайный характер при сохранении заданного значения γ, то процессы становятся стохастическими и спектральный состав модулируемых параметров изменяется. Например, такой случайный характер можно придать положению импульса t и на интервале периода Т n или обеспечить стохастическое изменение последнего. Для этой цели может использоваться генератор случайных чисел, воздействующий на задающий генератор частоты модуляции f n =1/T n . Аналогичным образом можно изменять положение импульса на интервале Т n с математическим ожиданием, равным нулю. Усредненное интегральное значение γ должно оставаться на заданном системой регулирования уровне, в результате чего будет реализовано выравнивание спектрального состава высших гармоник в модулируемых напряжениях и токах.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите основные методы ШИМ для обеспечения синусоидальности тока или напряжения.
2. В чем отличие однополярной модуляции напряжения от двухполярной?
3. Перечислите основные параметры ШИМ.
4. С какой целью используется ШИМ со стохастическими процессами?
Лабораторная работа №4
Широтно-импульсная модуляция
Цели работы:
1. Познакомиться со способами получения сигналов с широтно-импульсной модуляцией
2. Познакомиться со способами восстановления постоянного напряжения из сигналов с широтно-импульсной модуляцией
3. Познакомиться с некоторыми примерами применения ШИМ-сигналов
4. Познакомиться с моделированием в среде B2 Spice Workshop поведения схем в частотной области
Импульсный периодический сигнал (рисунок 1) имеет ряд характеристик:
Амплитуда импульса ;
Период (и обратная ему величина – частота );
Длительность импульса ;
Фаза (сдвиг импульса относительно начала периода).
Варьирование всех этих характеристик может быть использовано при обработке измерительных сигналов, а также для передачи данных. Говорят о:
Амплитудной модуляции, если амплитуда импульсов пропорциональна величине входного сигнала;
Частотной модуляции, если частота следования импульсов пропорциональна величине входного сигнала;
Широтно-импульсной модуляции, если длительность импульсов пропорциональна величине входного сигнала;
Фазовой модуляции, если фаза импульсов пропорциональна величине входного сигнала.
Рисунок 1. Характеристики импульсных периодических сигналов
1. Формирование ШИМ-сигнала
В основе метода формирования сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнала) используется та же идея, что и в АЦП развертывающего типа: на положительный вход устройства сравнения подается преобразуемый постоянный сигнал, на отрицательный вход – линейно изменяющийся во времени сигнал (рисунок 2). Сравнивающее устройство выдает сигнал логического нуля, если опорный линейно изменяющийся сигнал больше преобразуемого, и наоборот.
Очевидно, что время , прошедшее от момента перехода линейно изменяющегося сигнала через ноль и до срабатывания устройства сравнения будет прямо пропорционально величине преобразуемого сигнала и обратно пропорционально крутизне наклона опорного сигнала.
Рисунок 2. Преобразование постоянного сигнала во временной интервал
На практике в качестве устройства сравнения применяется компаратор напряжения, на входы которого подаются преобразуемое напряжение и сигнал с выхода генератора треугольных или пилообразных импульсов (рисунок 3).
Рисунок 3. Преобразование постоянного напряжения в сигнал с ШИМ
Широтно-импульсная модуляция (по своей сути – преобразование напряжение-время) может использоваться как промежуточный этап при переходе от аналоговых к цифровым величинам. Длительность временного промежутка легко измерить, подсчитав число импульсов напряжения стабильной опорной частоты, которое прошло за этот промежуток. Сделать это можно с помощью счетчика, на счетный вход которого поступают импульсы опорной частоты, а на вход разрешения счета – измеряемый импульс (рисунок 4). При этом на выходе счетчика сразу получается цифровой код N, пропорциональный измеряемому напряжению.
Рисунок 4. Преобразование временного интервала в код
В настоящее время для целей аналого-цифрового преобразования ШИМ используется редко. Это объясняется:
Низкой помехоустойчивостью описанного способа преобразования напряжение-время (кратковременная помеха, наведенная на преобразуемый или опорный сигнал, может существенно исказить длительность импульса);
Сравнительно невысоким быстродействием;
Сложностью построения высококачественного генератора опорного линейно изменяющегося сигнала;
Наличием на рынке большого выбора законченных недорогих микросхем АЦП, основанных на иных принципах.
Однако ШИМ вполне может быть использован там, где нет высоких требований к точности и, например, нужно выполнить гальваническую развязку источника и приемника сигнала. В этом случае на стороне источника сигнала ставится простой генератор треугольного или пилообразного напряжения и компаратор. Выход компаратора (ШИМ-сигнал) управляет светодиодом оптрона, а приемная часть оптрона включается на стороне приемника сигнала (рисунок 5). Такой подход часто используется для организации обратной связи в сетевых импульсных блоках питания.
Рисунок 5. Гальваническая развязка аналоговых сигналов с помощью ШИМ. Цепи, расположенные слева и справа от оптрона DA2 не связаны гальванически
На рисунке 6 приведена схема формирования ШИМ-сигнала (файл PWM001.ckt). Источник напряжения V1 представляет собой генератор пилообразного напряжения, источник V3 – источник преобразуемого постоянного напряжения, источник V2 питает компаратор DA1 MAX907 (полную техническую документацию на MAX907 см. в файле MAX907-MAX909.pdf).
Рисунок 6. Формирователь ШИМ-сигнала
Задания.
1. В каком диапазоне входных напряжений V3 может работать данная схема? Какие изменения следует внести в схему, чтобы с её помощью можно было преобразовывать напряжение в диапазоне от –1 до +1 В?
2. Покажите, что в качестве опорных могут с одинаковым успехом использоваться генераторы треугольного и пилообразного напряжения. Какие различия будут у сигналов, сформированных двумя способами?
3. Промоделировав работу схемы во временной области при нескольких разных значениях V3, постройте график зависимости длительности выходных импульсов (коэффициента заполнения) от величины входного постоянного напряжения.
4. Промоделируйте работу для случая, когда V3 представляет собой сумму постоянной составляющей 0,1В и синуса амплитудой 50 мВ с частотой 125кГц. Объясните полученные результаты.
2. Восстановление исходного сигнала из ШИМ-сигнала
Как уже говорилось, одно из применений широтно-импульсной модуляции – это переход от напряжения к длительности импульса с целью последующего измерения этой длительности цифровым способом. Но в том случае, если ШИМ используется только в целях передачи информации о величине напряжения, возникает необходимость восстановить напряжение из ШИМ-сигнала.
Простейший способ – подать напряжение с широтно-импульсной модуляцией на фильтр низкой частоты. При подаче на вход ФНЧ периодического сигнала с периодом на его выходе будет присутствовать постоянная составляющая такого сигнала:
(1)
Если – это ШИМ-сигнал с амплитудой и длительность импульсов , то:
(2)
Таким образом, прямо пропорционально коэффициенту заполнения (отношению длительности импульса к периоду). Однако, в силу того, что реальный ФНЧ частично пропускает и высокочастотные составляющие ШИМ-сигнала, на выходе фильтра будут присутствовать и пульсации (рисунок 7).
Простейшим ФНЧ является RC-цепочка (рисунок 8, файл PWM002.ckt).
Она характеризуется постоянной времени 
и
частотой среза 
. Казалось бы, для
улучшения подавления ВЧ составляющих ШИМ-сигнала достаточно уменьшить частоту
среза такого ФНЧ, т.е., увеличить постоянную времени .
Однако, такое решение дает лишь незначительное уменьшение пульсаций, за которое
приходится расплачиваться существенным увеличением переходный процессов при
изменении скважности сигнала. (Для ФНЧ 1-го порядка, переходная характеристика
достигает 95% конечного значения за время приблизительно равное , 99% – за ,
99,9% – за , 99,99% – за ).
Рисунок 7. Фильтрация ШИМ-сигнала идеальным и реальным ФНЧ
Рисунок 8. Выделение постоянной составляющей ШИМ-сигнала с помощью
ФНЧ первого порядка
Более эффективным может быть использование фильтров с той же частотой среза, но более высоких порядков. По сравнению с ФНЧ 1-го порядка такие фильтры имеют более крутой спад частотной характеристики, а значит, обеспечивают и лучшее подавление ВЧ-составляющих. При этом время переходного процесса при изменении скважности ШИМ-сигнала увеличивается незначительно. На рисунке 9 приведена схема с использованием активного ФНЧ Баттерворта 3-го порядка, реализованного на базе операционных усилителей (файл PWM003.ckt). Источник напряжения V1 является источником ШИМ-сигнала, а источники V2 и V3 используются для питания операционных усилителей активного фильтра. (Полную техническую документацию на ОУ MCP604 см. в файле mcp604.pdf).
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 .
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 . Он построен на базе микросхемы 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.
Читайте так же