Широтно импульсная модуляция просто о сложном: Что такое ШИМ — максимально просто

Широтно-импульсная модуляция — Pulse-width modulation

Пример PWM в идеализированном индуктора с приводом от ■ источника напряжения , модулированного в виде серии импульсов, в результате чего ■ синус-как ток в катушке индуктивности. Тем не менее, прямоугольные импульсы напряжения приводят к более гладкой форме волны тока по мере увеличения частоты переключения . Обратите внимание, что форма волны тока является интегралом формы волны напряжения.

Широтно-импульсная модуляция ( ШИМ ) или широтно-импульсная модуляция ( ШИМ ) — это метод уменьшения средней мощности, передаваемой электрическим сигналом, путем эффективного разделения ее на дискретные части. Среднее значение напряжения (и тока ), подаваемого на нагрузку , регулируется путем быстрого включения и выключения переключателя между питанием и нагрузкой. Чем дольше переключатель находится во включенном состоянии по сравнению с периодами выключения, тем выше общая мощность, подаваемая на нагрузку. Наряду с отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT), это один из основных методов снижения мощности солнечных панелей до уровня, который может использовать батарея. ШИМ особенно подходит для работы с инерционными нагрузками, такими как двигатели, на которые не так легко повлиять это дискретное переключение, потому что их инерция заставляет их реагировать медленно. Частота переключения ШИМ должна быть достаточно высокой, чтобы не влиять на нагрузку, то есть результирующая форма волны, воспринимаемая нагрузкой, должна быть как можно более плавной.

Скорость (или частота), с которой должен переключаться источник питания, может сильно варьироваться в зависимости от нагрузки и приложения. Например, в электроплите переключение нужно производить несколько раз в минуту; 120  Гц в диммере лампы; от нескольких килогерц (кГц) до десятков кГц для моторного привода; и вплоть до десятков или сотен кГц в усилителях звука и блоках питания компьютеров. Главное преимущество ШИМ — очень низкие потери мощности в коммутационных устройствах. Когда переключатель выключен, ток практически отсутствует, а когда он включен и мощность передается на нагрузку, на переключателе почти нет падения напряжения. Таким образом, потери мощности, являющиеся продуктом напряжения и тока, в обоих случаях близки к нулю. ШИМ также хорошо работает с цифровыми элементами управления, которые, благодаря своей природе включения / выключения, могут легко установить необходимый рабочий цикл. ШИМ также использовался в некоторых системах связи, где его рабочий цикл использовался для передачи информации по каналу связи.

В электронике многие современные микроконтроллеры (MCU) объединяют контроллеры PWM, открытые для внешних контактов, в качестве периферийных устройств под управлением встроенного программного обеспечения с помощью внутренних интерфейсов программирования. Они обычно используются для управления двигателем постоянного тока (DC) в робототехнике и других приложениях.

Рабочий цикл

Термин рабочий цикл описывает пропорцию времени «включения» к регулярному интервалу или «периоду» времени; низкий рабочий цикл соответствует низкой мощности, потому что большую часть времени питание отключено. Рабочий цикл выражается в процентах, при 100% включенном состоянии. Когда цифровой сигнал присутствует половину времени и выключен вторую половину времени, цифровой сигнал имеет рабочий цикл 50% и напоминает «прямоугольную» волну. Когда цифровой сигнал находится во включенном состоянии больше времени, чем в выключенном, он имеет рабочий цикл> 50%. Когда цифровой сигнал находится в выключенном состоянии больше времени, чем во включенном состоянии, он имеет рабочий цикл <50%. Вот иллюстрация, иллюстрирующая эти три сценария:

История

Некоторым машинам (например, двигателю швейной машины ) требуется частичная или регулируемая мощность. В прошлом управление (например, ножной педалью швейной машины) реализовывалось с помощью реостата, подключенного последовательно с двигателем, чтобы регулировать количество тока, протекающего через двигатель. Это была неэффективная схема, так как это также тратило впустую мощность в виде тепла в резистивном элементе реостата, но терпимо, поскольку общая мощность была низкой. Хотя реостат был одним из нескольких методов управления мощностью (см. Автотрансформаторы и Variac для получения дополнительной информации), дешевый и эффективный метод переключения / регулирования мощности еще не был найден. Этот механизм также должен был иметь возможность приводить в действие двигатели для вентиляторов, насосов и роботизированных сервоприводов и должен быть достаточно компактным, чтобы взаимодействовать с регуляторами яркости ламп. ШИМ возник как решение этой сложной проблемы.

Одно из первых применений ШИМ было в Sinclair X10, аудиоусилителе мощностью 10 Вт, доступном в виде набора в 1960-х годах. Примерно в то же время ШИМ начал использоваться в управлении двигателями переменного тока.

Следует отметить, что в течение примерно столетия некоторые электродвигатели с регулируемой частотой вращения имели приличный КПД, но они были несколько более сложными, чем электродвигатели с постоянной частотой вращения, и иногда требовали громоздких внешних электрических устройств, таких как группа резисторов переменной мощности или вращающиеся преобразователи. {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 {align}}}

Это последнее выражение можно довольно упростить во многих случаях, когда as . Отсюда среднее значение сигнала ( ) напрямую зависит от скважности D.
уминзнак равно0{\ displaystyle y _ {\ text {min}} = 0}у¯знак равноD⋅уМаксимум{\ displaystyle {\ bar {y}} = D \ cdot y _ {\ text {max}}}у¯{\ displaystyle {\ bar {y}}}

Рис. 2: Простым методом генерации последовательности импульсов ШИМ, соответствующей данному сигналу, является пересекающаяся ШИМ: сигнал (здесь красная синусоида) сравнивается с пилообразной формой волны (синий). Когда последнее меньше первого, сигнал ШИМ (пурпурный) находится в высоком состоянии (1). В противном случае он находится в низком состоянии (0).

Самый простой способ сгенерировать сигнал ШИМ — это метод пересечения, который требует только пилообразной или треугольной формы волны (легко сгенерированной с помощью простого генератора ) и компаратора . Когда значение опорного сигнала (красный синусоидальной волны на рисунке 2) больше , чем формы сигнала модуляции (синий), сигнал ШИМ (пурпурного) находится в высоком состоянии, в противном случае она находится в низком состоянии.

Дельта

При использовании дельта-модуляции для ШИМ-управления, выходной сигнал интегрирован, и результат сравнивается с ограничениями, которые соответствуют смещению константой опорного сигнала. Каждый раз, когда интеграл выходного сигнала достигает одного из пределов, сигнал ШИМ меняет состояние. Рисунок 3

Рис. 3: Принцип дельта-ШИМ. Выходной сигнал (синий) сравнивается с пределами (зеленый). Эти пределы соответствуют опорному сигналу (красному), смещение на заданную величину. Каждый раз, когда выходной сигнал (синий) достигает одного из пределов, сигнал ШИМ меняет состояние.

Дельта-сигма

В дельта-сигма модуляции в качестве способа управления ШИМ, выходной сигнал вычитается из опорного сигнала для формирования сигнала ошибки. Эта ошибка интегрирована, и когда интеграл ошибки превышает пределы, выход меняет состояние. Рисунок 4

Рис. 4: Принцип сигма-дельта ШИМ. Верхняя зеленая осциллограмма — это опорный сигнал, из которого вычитается выходной сигнал (ШИМ на нижнем графике) для формирования сигнала ошибки (синий на верхнем графике). Эта ошибка интегрирована (средний график), и когда интеграл ошибки превышает пределы (красные линии), выход меняет состояние.

Модуляция пространственного вектора

Модуляция пространственного вектора — это алгоритм управления ШИМ для генерации многофазного переменного тока, в котором опорный сигнал дискретизируется регулярно; после каждой выборки ненулевые активные векторы переключения, смежные с опорным вектором, и один или несколько из нулевых векторов переключения выбираются для соответствующей части периода выборки, чтобы синтезировать опорный сигнал как среднее значение используемых векторов.

Прямое управление крутящим моментом (DTC)

Прямое управление крутящим моментом — это метод, используемый для управления двигателями переменного тока. Это тесно связано с дельта-модуляцией (см. Выше). Крутящий момент двигателя и магнитный поток оцениваются, и они контролируются, чтобы оставаться в пределах своих диапазонов гистерезиса, путем включения новой комбинации полупроводниковых переключателей устройства каждый раз, когда какой-либо сигнал пытается отклониться от своего диапазона.

Распределение времени

Многие цифровые схемы могут генерировать сигналы ШИМ (например, многие микроконтроллеры имеют выходы ШИМ). Обычно они используют счетчик, который периодически увеличивается (он напрямую или косвенно связан с часами схемы) и сбрасывается в конце каждого периода ШИМ. Когда значение счетчика больше , чем опорное значение, выходной сигнал ШИМ изменяет состояние от максимума до минимума (или от низкого до высокого). Этот метод называется пропорциональным по времени, в частности , пропорциональным по времени управлением — какая часть фиксированного времени цикла проводится в высоком состоянии.

Увеличивающийся и периодически сбрасываемый счетчик — это дискретная версия пилообразной формы метода пересечения. Аналоговый компаратор метода пересечения становится простым целочисленным сравнением между текущим значением счетчика и цифровым (возможно оцифрованным) эталонным значением. Рабочий цикл может быть изменен только дискретными шагами в зависимости от разрешения счетчика. Однако счетчик с высоким разрешением может обеспечить вполне удовлетворительную работу.

Типы

Рис. 5: Три типа сигналов ШИМ (синий): модуляция по переднему фронту (вверху), модуляция по заднему фронту (в центре) и центрированные импульсы (модулируются оба фронта, внизу). Зеленые линии представляют собой пилообразную форму волны (первый и второй случаи) и треугольную форму волны (третий случай), используемые для генерации сигналов ШИМ с использованием метода пересечения.

Возможны три типа широтно-импульсной модуляции (ШИМ):

1. Центр импульса может быть зафиксирован в центре временного окна, и оба фронта импульса перемещаются для сжатия или расширения ширины.
2. Переднюю кромку можно удерживать за переднюю кромку окна, а заднюю кромку можно регулировать.
3. Задняя кромка может быть зафиксирована, а передняя кромка модулирована.

Спектр

Результирующие спектры (для трех случаев) аналогичны, и каждый содержит компонент постоянного тока — базовую боковую полосу, содержащую модулирующий сигнал и модулированные по фазе несущие на каждой гармонике частоты импульса. Амплитуды гармонических групп ограничены огибающей ( функция sinc ) и простираются до бесконечности. Бесконечная полоса пропускания вызвана нелинейной работой широтно-импульсного модулятора. Как следствие, цифровая ШИМ страдает от искажения наложения спектров, что значительно снижает ее применимость в современных системах связи . Ограничивая полосу пропускания ядра ШИМ, можно избежать эффектов наложения спектров.
грех⁡Икс/Икс{\ Displaystyle \ грех х / х}

Напротив, дельта-модуляция — это случайный процесс, который дает непрерывный спектр без четких гармоник.

Теорема выборки ШИМ

Процесс преобразования ШИМ является нелинейным, и обычно предполагается, что восстановление сигнала фильтра нижних частот несовершенно для ШИМ. Теорема выборки ШИМ показывает, что преобразование ШИМ может быть идеальным. Теорема утверждает, что «Любой сигнал с ограниченной полосой модулирующих сигналов в пределах ± 0,637 может быть представлен формой волны широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с единичной амплитудой. Число импульсов в форме волны равно количеству отсчетов Найквиста, а ограничение пика не зависит от того, форма волны может быть двухуровневой или трехуровневой «.

• Теорема выборки Найквиста-Шеннона: «Если у вас есть сигнал, который полностью ограничен полосой пропускания f _0, то вы можете собрать всю информацию, содержащуюся в этом сигнале, путем дискретизации ее дискретного времени, если ваша частота дискретизации составляет больше 2f _0. »

Приложения

Сервоприводы

ШИМ используется для управления сервомеханизмами ; см. сервоуправление .

Телекоммуникации

В телекоммуникациях ШИМ — это форма модуляции сигнала, при которой ширина импульсов соответствует определенным значениям данных, закодированных на одном конце и декодированных на другом.

Импульсы различной длины (сама информация) будут отправляться через равные промежутки времени (несущая частота модуляции).

          _      _      _      _      _      _      _      _     
         | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    
Clock    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    | |    
       __| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____| |____

                 _      __     ____          ____   _
PWM signal      | |    |  |   |    |        |    | | |
                | |    |  |   |    |        |    | | |
       _________| |____|  |___|    |________|    |_| |___________

Data       0     1       2      4      0      4     1      0

Включение тактового сигнала не обязательно, поскольку передний фронт сигнала данных может использоваться как тактовый, если к каждому значению данных добавляется небольшое смещение, чтобы избежать значения данных с импульсом нулевой длины.

                _      __     ___    _____   _      _____   __     _   
               | |    |  |   |   |  |     | | |    |     | |  |   | | 
PWM signal     | |    |  |   |   |  |     | | |    |     | |  |   | |  
             __| |____|  |___|   |__|     |_| |____|     |_|  |___| |_____

Data            0       1      2       4     0        4      1     0

Доставка мощности

ШИМ может использоваться для управления мощностью, подаваемой на нагрузку, без потерь, которые могут возникнуть в результате линейной подачи мощности с помощью резистивных средств. Недостатки этого метода заключаются в том, что мощность, потребляемая нагрузкой, не является постоянной, а скорее прерывистой (см. Понижающий преобразователь ), а энергия, подаваемая в нагрузку, также не является непрерывной. Однако нагрузка может быть индуктивной, и с достаточно высокой частотой и при необходимости с использованием дополнительных пассивных электронных фильтров последовательность импульсов может быть сглажена и восстановлена ​​средняя аналоговая форма волны. Поток мощности в нагрузку может быть непрерывным. Поток мощности от источника не является постоянным и в большинстве случаев потребует накопления энергии на стороне источника. (В случае электрической цепи — конденсатор для поглощения энергии, накопленной в (часто паразитной) индуктивности стороны питания.)

Высокая частота системы управления ШИМ мощности легко реализуемы с полупроводниковыми переключателями. Как объяснялось выше, переключатель почти не рассеивает мощность ни во включенном, ни в выключенном состоянии. Однако во время переходов между включенным и выключенным состояниями и напряжение, и ток отличны от нуля, и, таким образом, мощность рассеивается в переключателях. При быстром изменении состояния между полностью включенным и полностью выключенным (обычно менее 100 наносекунд) рассеиваемая мощность в переключателях может быть довольно низкой по сравнению с мощностью, подаваемой на нагрузку.

Современные полупроводниковые переключатели, такие как МОП-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), хорошо подходят для создания высокоэффективных контроллеров. Преобразователи частоты, используемые для управления двигателями переменного тока, могут иметь КПД более 98%. Импульсные источники питания имеют более низкий КПД из-за низкого уровня выходного напряжения (часто требуется даже менее 2 В для микропроцессоров), но все же можно достичь КПД более 70–80%.

Контроллеры компьютерных вентиляторов с регулируемой скоростью обычно используют ШИМ, поскольку он намного более эффективен по сравнению с потенциометром или реостатом . (Ни один из последних не является практичным для электронного управления; для них потребуется небольшой приводной двигатель.)

Диммеры для домашнего использования используют особый тип управления ШИМ. Диммеры для домашнего использования обычно включают в себя электронную схему, которая подавляет прохождение тока во время определенных частей каждого цикла напряжения сети переменного тока. Регулировка яркости света, излучаемого источником света, в этом случае просто вопрос установки, при каком напряжении (или фазе) в полупериоде переменного тока диммер начинает подавать электрический ток на источник света (например, с помощью электронного переключателя, такого как симистор ). В этом случае рабочий цикл ШИМ — это отношение времени проводимости к продолжительности полупериода переменного тока, определяемого частотой сетевого напряжения переменного тока (50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны).

Эти довольно простые типы диммеров могут эффективно использоваться с инертными (или относительно медленно реагирующими) источниками света, такими как, например, лампы накаливания, для которых дополнительная модуляция подаваемой электрической энергии, вызванная диммером, вызывает лишь незначительные дополнительные колебания в излучаемый свет. Однако некоторые другие типы источников света, такие как светоизлучающие диоды (СИД), включаются и выключаются очень быстро и будут заметно мерцать при питании от низкочастотного управляющего напряжения. Ощутимые эффекты мерцания от таких источников света с быстрым откликом можно уменьшить, увеличив частоту ШИМ. Если флуктуации света достаточно быстрые (быстрее, чем порог слияния мерцания ), человеческая зрительная система больше не может их разрешать, и глаз воспринимает среднюю по времени интенсивность без мерцания.

В электрических плитах постоянно регулируемая мощность подается на нагревательные элементы, такие как плита или гриль, с помощью устройства, известного как термостат . Он состоит из теплового осциллятора, работающего примерно с двумя циклами в минуту, и механизм изменяет рабочий цикл в соответствии с настройкой ручки. Тепловая постоянная времени нагревательных элементов составляет несколько минут, поэтому колебания температуры слишком малы, чтобы иметь значение на практике.

Регулировка напряжения

ШИМ также используется в эффективных регуляторах напряжения . При переключении напряжения на нагрузку с соответствующим рабочим циклом выход будет приближаться к напряжению на желаемом уровне. Шум переключения обычно фильтруется с помощью катушки индуктивности и конденсатора .

Один метод измеряет выходное напряжение. Когда оно ниже желаемого напряжения, он включает переключатель. Когда выходное напряжение выше желаемого напряжения, он выключает переключатель.

Звуковые эффекты и усиление

Изменение рабочего цикла импульсного сигнала в синтезаторе создает полезные тембральные вариации. Некоторые синтезаторы имеют триммер рабочего цикла для выходных сигналов прямоугольной формы, и этот триммер можно настроить на слух; точка 50% (истинная прямоугольная волна) была отличительной, потому что четные гармоники по существу исчезают на 50%. Пульсовые волны, обычно 50%, 25% и 12,5%, составляют саундтреки классических видеоигр . Термин ШИМ, используемый в синтезе звука (музыки), относится к соотношению между высоким и низким уровнем, вторично модулируемым с помощью низкочастотного генератора . Это дает звуковой эффект, похожий на хорус или слегка расстроенные генераторы, играемые вместе. (Фактически, ШИМ эквивалентен сумме двух пилообразных волн с одной инвертированной.)

Становится популярным новый класс звуковых усилителей, основанный на принципе ШИМ. Названные усилителями класса D , они производят ШИМ-эквивалент аналогового входного сигнала, который подается на громкоговоритель через подходящую сеть фильтров для блокировки несущей и восстановления исходного звука. Эти усилители характеризуются очень хорошими показателями эффективности (≥ 90%) и компактными размерами / малым весом для большой выходной мощности. В течение нескольких десятилетий промышленные и военные усилители ШИМ широко использовались, часто для привода серводвигателей . Катушки градиента поля в аппаратах МРТ приводятся в действие относительно мощными усилителями ШИМ.

Исторически сложилось так, что для воспроизведения цифрового звука PCM на динамике ПК использовалась грубая форма ШИМ , которая управляется только двумя уровнями напряжения, обычно 0 В и 5 В. Тщательно рассчитывая длительность импульсов и полагаясь на Благодаря физическим фильтрующим свойствам динамика (ограниченная частотная характеристика, самоиндукция и т. д.) можно было получить приблизительное воспроизведение монофонических сэмплов PCM, хотя и с очень низким качеством и с очень разными результатами между реализациями.

В последнее время был представлен метод кодирования звука Direct Stream Digital , который использует обобщенную форму широтно-импульсной модуляции, называемую модуляцией плотности импульса , с достаточно высокой частотой дискретизации (обычно порядка МГц) для покрытия всех акустических частот. диапазон с достаточной точностью. Этот метод используется в формате SACD , и воспроизведение кодированного аудиосигнала по существу аналогично методу, используемому в усилителях класса D.

Электрические

Сигналы SPWM (широтно-импульсная модуляция синусоидального треугольника) используются в конструкции микро-инверторов (используемых в солнечной и ветровой энергетике). Эти переключающие сигналы поступают на полевые транзисторы , которые используются в устройстве. Эффективность устройства зависит от содержания гармоник сигнала ШИМ. Существует много исследований по устранению нежелательных гармоник и повышению мощности основной гармоники, некоторые из которых включают использование модифицированного сигнала несущей вместо классического пилообразного сигнала для уменьшения потерь мощности и повышения эффективности. Другое распространенное применение — робототехника, где сигналы ШИМ используются для управления скоростью робота путем управления двигателями.

Мягко мигающий светодиодный индикатор

Методы ШИМ обычно используются для «мягкого мигания» некоторого индикатора (например, светодиода ). Свет будет медленно переходить от темного к полной интенсивности и снова медленно переходить в темноту. Затем это повторяется. Период будет составлять от нескольких мягких миганий в секунду до нескольких секунд для одного мигания. Индикатор такого типа не будет мешать так сильно, как «резко мигающий» индикатор включения / выключения. Контрольная лампа на Apple iBook G4, PowerBook 6,7 (2005 г.) была такого типа. Такой индикатор также называют «пульсирующим свечением», а не «мигающим».

Смотрите также

Ссылки

внешняя ссылка

Модуляция — Modulation — qaz.wiki

Процесс изменения одного или нескольких свойств периодической формы волны

Модуляция используется певцами и другими вокалистами для изменения характеристик своего голоса, например громкости или высоты звука.

Модуляция также является техническим термином, обозначающим умножение исходного сигнала на другой, обычно периодический сигнал.

В электронике и телекоммуникациях , модуляция представляет собой процесс изменения одного или более свойств периодического сигнала , называемых сигналом несущего , с модулирующим сигналом , который , как правило , содержит информацию, подлежащую передаче. Термин аналоговая или цифровая модуляция используется, когда модулирующий сигнал является аналоговым или цифровым соответственно. В большинстве радиосистем 20 века использовались так называемые методы аналоговой модуляции: частотная модуляция (FM) или амплитудная модуляция (AM) для радиовещания, поскольку исходный сигнал был аналоговым. Большинство, если не все, современные системы передачи используют QAM (квадратурную амплитудную модуляцию), которая изменяет амплитуду и фазу несущего сигнала. Поскольку модулирующий сигнал представляет собой последовательность или поток битов, то есть цифровой модулирующий сигнал, используется термин «цифровая модуляция». Однако следует отметить, что обычно последовательность битов должна быть преобразована в аналоговый сигнал до модуляции (умножения) несущим сигналом.

В музыкальном производстве модуляция — это процесс постепенного изменения звуковых свойств для воспроизведения ощущения движения и глубины в аудиозаписях. Он включает использование источника сигнала (известного как модулятор) для управления другим сигналом ( несущей ) с помощью различных звуковых эффектов и методов синтеза .

Модулятор представляет собой устройство , которое выполняет модуляцию. Демодулятор (иногда детектор или демодулятор ) представляет собой устройство , которое выполняет демодуляцию , обратная модуляции. Модем (от мо dulator- дем odulator) может выполнять обе операции.

Целью аналоговой модуляции является передача аналогового сигнала основной полосы частот (или сигнала нижних частот ), например аудиосигнала или телевизионного сигнала, по аналоговому каналу с полосой пропускания на другой частоте, например, в ограниченной полосе радиочастот или канале сети кабельного телевидения. . Целью цифровой модуляции является передача цифрового битового потока по аналоговому каналу связи , например, по коммутируемой телефонной сети общего пользования (где полосовой фильтр ограничивает частотный диапазон до 300–3400 Гц) или в ограниченной полосе радиочастот. Аналоговая и цифровая модуляция облегчают мультиплексирование с частотным разделением (FDM), при котором несколько информационных сигналов нижних частот передаются одновременно по одной и той же общей физической среде с использованием отдельных каналов полосы пропускания (несколько разных несущих частот).

Целью методов цифровой модуляции основной полосы частот , также известных как линейное кодирование , является передача цифрового потока битов по каналу основной полосы частот, обычно нефильтрованному медному проводу, такому как последовательная шина или проводная локальная сеть .

Целью методов импульсной модуляции является передача узкополосного аналогового сигнала, например телефонного звонка, по широкополосному каналу основной полосы частот или, в некоторых схемах, в виде потока битов по другой цифровой системе передачи .

Методы аналоговой модуляции

Низкочастотный сигнал сообщения (вверху) может передаваться с помощью радиоволн AM или FM.

Водопад участок радио носителя в 146,52 МГц с амплитудной модуляцией с помощью синусоиды в 1000 Гц. Показаны две сильные боковые полосы на + и — 1 кГц от несущей частоты.

Несущая, частота модулированная синусоидой 1000 Гц. Индекс модуляции был отрегулирован примерно до 2,4, поэтому несущая частота имеет небольшую амплитуду. Видны несколько сильных боковых полос; в принципе, в FM создается бесконечное количество полос, но боковые полосы более высокого порядка имеют незначительную величину.

При аналоговой модуляции модуляция применяется непрерывно в ответ на аналоговый информационный сигнал. Общие методы аналоговой модуляции включают:

• Амплитудная модуляция (AM) (здесь амплитуда несущего сигнала варьируется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала)
• Угловая модуляция , которая является примерно постоянной огибающей
  • Частотная модуляция (FM) (здесь частота несущего сигнала варьируется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала)
  • Фазовая модуляция (ФМ) (здесь сдвиг фазы несущего сигнала варьируется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала)
  • Транспозиционная модуляция (TM), при которой перегиб формы волны изменяется, в результате чего получается сигнал, в котором каждая четверть цикла транспонируется в процессе модуляции. TM — это псевдоаналоговая модуляция (AM). Если несущая AM также несет фазу переменной фазы f (). TM — это f (AM, ǿ)

Методы цифровой модуляции

При цифровой модуляции аналоговый несущий сигнал модулируется дискретным сигналом. Методы цифровой модуляции можно рассматривать как цифро-аналоговое преобразование и соответствующую демодуляцию или обнаружение как аналого-цифровое преобразование. Изменения несущего сигнала выбираются из конечного числа M альтернативных символов ( алфавита модуляции ).

Схема канала передачи данных 4 бода, 8 бит / с, содержащего произвольно выбранные значения.

Простой пример: телефонная линия предназначена для передачи звуковых сигналов, например тонов, а не цифровых битов (нулей и единиц). Однако компьютеры могут связываться по телефонной линии с помощью модемов, которые представляют цифровые биты тонами, называемыми символами. Если есть четыре альтернативных символа (соответствующих музыкальному инструменту, который может генерировать четыре разных тона, по одному за раз), первый символ может представлять битовую последовательность 00, второй 01, третий 10 и четвертый 11. Если модем проигрывает мелодию, состоящую из 1000 тонов в секунду, скорость передачи 1000 символов в секунду или 1000 бод . Поскольку в этом примере каждый тональный сигнал (т.е. символ) представляет сообщение, состоящее из двух цифровых битов, скорость передачи данных в два раза превышает скорость передачи символов, то есть 2000 битов в секунду.

Согласно одному определению цифрового сигнала , модулированный сигнал является цифровым сигналом. Согласно другому определению, модуляция — это форма цифро-аналогового преобразования . В большинстве учебников схемы цифровой модуляции рассматриваются как форма цифровой передачи , синонимичной передаче данных ; очень немногие считают это аналоговой передачей .

Основные методы цифровой модуляции

Наиболее фундаментальные методы цифровой модуляции основаны на манипуляции :

В QAM синфазный сигнал (или I, в одном примере — косинусоидальный сигнал) и квадратурный фазовый сигнал (или Q, в примере является синусоидальной волной) модулируются по амплитуде конечным числом амплитуд, а затем суммируются. {N}}жS{\ displaystyle f_ {S}}NжS{\ displaystyle Nf_ {S}}

Например, в алфавите, состоящем из 16 альтернативных символов, каждый символ представляет 4 бита. Таким образом, скорость передачи данных в четыре раза превышает скорость передачи данных.

В случае PSK, ASK или QAM, где несущая частота модулированного сигнала постоянна, алфавит модуляции часто удобно представлять на диаграмме созвездия , показывая амплитуду I-сигнала по оси x и амплитуду сигнал Q по оси ординат для каждого символа.

Принципы работы модулятора и детектора

PSK и ASK, а иногда и FSK, часто генерируются и обнаруживаются с использованием принципа QAM. Сигналы I и Q могут быть объединены в комплексный сигнал I + jQ (где j — мнимая единица ). Результирующий так называемый эквивалентный сигнал нижних частот или эквивалентный сигнал основной полосы частот является комплексным представлением модулированного физического сигнала с действительными значениями (так называемого сигнала полосы пропускания или радиочастотного сигнала ).

Это общие шаги, используемые модулятором для передачи данных:

1. Сгруппируйте входящие биты данных в кодовые слова, по одному для каждого символа, который будет передан.
2. Сопоставьте кодовые слова с атрибутами, например, амплитудами сигналов I и Q (эквивалентный сигнал нижних частот) или значениями частоты или фазы.
3. Адаптируйте формирование импульса или другую фильтрацию, чтобы ограничить полосу пропускания и сформировать спектр эквивалентного сигнала нижних частот, обычно с использованием цифровой обработки сигнала.
4. Выполните цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) сигналов I и Q (поскольку сегодня все вышеперечисленное обычно достигается с помощью цифровой обработки сигналов , DSP).
5. Сгенерируйте высокочастотный синусоидальный сигнал несущей и, возможно, также квадратурную составляющую косинуса. Выполните модуляцию, например, умножив синусоидальный и косинусоидальный сигналы на сигналы I и Q, в результате чего эквивалентный сигнал нижних частот будет сдвинут по частоте на модулированный сигнал полосы пропускания или радиочастотный сигнал . Иногда это достигается с помощью технологии DSP, например прямого цифрового синтеза с использованием таблицы форм сигналов , вместо обработки аналогового сигнала. В этом случае вышеуказанный шаг DAC должен быть выполнен после этого шага.
6. Усиление и аналоговая полосовая фильтрация для предотвращения гармонических искажений и периодического спектра.

На стороне приемника демодулятор обычно выполняет:

1. Полосная фильтрация.
2. Автоматическая регулировка усиления , AGC (для компенсации затухания , например замирания ).
3. Сдвиг частоты радиочастотного сигнала на эквивалентные сигналы I и Q основной полосы частот или на сигнал промежуточной частоты (ПЧ) путем умножения радиочастотного сигнала на синусоидальную волну гетеродина и частоту косинусоидальной волны (см. Принцип супергетеродинного приемника ).
4. Выборка и аналого-цифровое преобразование (АЦП) (иногда до или вместо указанной выше точки, например, посредством недостаточной дискретизации ).
5. Уравнивающая фильтрация, например, согласованный фильтр , компенсация многолучевого распространения, расширение по времени, фазовое искажение и частотно-избирательное замирание, чтобы избежать межсимвольных помех и искажения символов.
6. Обнаружение амплитуд сигналов I и Q или частоты или фазы сигнала ПЧ.
7. Квантование амплитуд, частот или фаз до ближайших разрешенных значений символов.
8. Отображение квантованных амплитуд, частот или фаз в кодовые слова (группы битов).
9. Параллельно-последовательное преобразование кодовых слов в битовый поток.
10. Передайте полученный битовый поток для дальнейшей обработки, такой как удаление любых кодов с исправлением ошибок.

Как и во всех цифровых системах связи, проектирование модулятора и демодулятора должно выполняться одновременно. Возможны схемы цифровой модуляции, потому что пара передатчик-приемник заранее знает, как данные кодируются и представляются в системе связи. Во всех цифровых системах связи и модулятор в передатчике, и демодулятор в приемнике устроены так, что они выполняют обратные операции.

Асинхронные методы не требуют опорного сигнала приемника синхронизации , который является фазой синхронизированы с отправителем сигнала несущей . В этом случае символы модуляции (а не биты, символы или пакеты данных) передаются асинхронно . Противоположным является синхронная модуляция .

Список распространенных методов цифровой модуляции

Наиболее распространенными методами цифровой модуляции являются:

MSK и GMSK — частные случаи непрерывной фазовой модуляции. Действительно, MSK является частным случаем подсемейства CPM, известного как непрерывная фазовая частотная манипуляция (CPFSK), которая определяется прямоугольным частотным импульсом (т. Е. Линейно возрастающим фазовым импульсом) длительностью в один символ (общая ответная сигнализация).

OFDM основан на идее мультиплексирования с частотным разделением каналов (FDM), но все мультиплексированные потоки являются частями единого исходного потока. Битовый поток разделяется на несколько параллельных потоков данных, каждый из которых передается по собственной поднесущей с использованием некоторой традиционной схемы цифровой модуляции. Модулированные поднесущие суммируются для формирования сигнала OFDM. Это разделение и повторное объединение помогает справиться с нарушениями канала. OFDM рассматривается как метод модуляции, а не как метод мультиплексирования, поскольку он передает один битовый поток по одному каналу связи с использованием одной последовательности так называемых символов OFDM. OFDM может быть расширен до метода многопользовательского доступа к каналу в схемах множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) и множественного доступа с кодовым разделением каналов с множеством несущих (MC-CDMA), что позволяет нескольким пользователям совместно использовать одну и ту же физическую среду, предоставляя разные вспомогательные -связи или коды распространения для разных пользователей.

Из двух видов усилителя мощности РЧ , коммутации усилителей ( класса D усилители ) стоимость меньше и использовать меньше энергии , чем линейные усилители той же выходной мощности. Однако они работают только с сигналами с относительно постоянной амплитудой модуляции, такими как угловая модуляция (FSK или PSK) и CDMA , но не с QAM и OFDM. Тем не менее, даже несмотря на то, что коммутирующие усилители совершенно непригодны для обычных комбинаций QAM, часто принцип модуляции QAM используется для управления коммутирующими усилителями с этими FM и другими формами сигналов, а иногда демодуляторы QAM используются для приема сигналов, выдаваемых этими коммутирующими усилителями.

Автоматическое распознавание цифровой модуляции (ADMR)

Автоматическое распознавание цифровой модуляции в интеллектуальных системах связи — одна из наиболее важных задач в программно-конфигурируемом радио и когнитивном радио . По мере увеличения количества интеллектуальных приемников автоматическое распознавание модуляции становится сложной задачей в телекоммуникационных системах и компьютерной инженерии. Такие системы имеют множество гражданских и военных применений. Более того, слепое распознавание типа модуляции является важной проблемой в коммерческих системах, особенно в программно-конфигурируемой радиосвязи . Обычно в таких системах есть некоторая дополнительная информация для конфигурации системы, но, учитывая слепые подходы в интеллектуальных приемниках, мы можем уменьшить информационную перегрузку и повысить производительность передачи. Очевидно, что без знания передаваемых данных и многих неизвестных параметров в приемнике, таких как мощность сигнала, несущая частота и смещение фазы, информация о синхронизации и т. Д., Слепая идентификация модуляции становится довольно сложной. Это становится еще более сложной задачей в реальных сценариях с многолучевым замиранием, частотно-избирательными и меняющимися во времени каналами.

Есть два основных подхода к автоматическому распознаванию модуляции. Первый подход использует методы на основе правдоподобия для присвоения входного сигнала надлежащему классу. Другой недавний подход основан на извлечении признаков.

Цифровая модуляция основной полосы частот или линейное кодирование

Термин цифровая модуляция основной полосы частот (или цифровая передача основной полосы частот) является синонимом линейных кодов . Это методы передачи цифрового битового потока по аналоговому каналу основной полосы частот (также известному как канал нижних частот ) с использованием последовательности импульсов, то есть дискретного числа уровней сигнала, путем прямой модуляции напряжения или тока в кабеле или последовательной шине. Распространенными примерами являются униполярное кодирование , кодирование без возврата к нулю (NRZ), манчестерское и альтернативное кодирование с инверсией знаков (AMI).

Методы импульсной модуляции

Схемы импульсной модуляции нацелены на передачу узкополосного аналогового сигнала по аналоговому каналу основной полосы частот как двухуровневого сигнала путем модуляции импульсной волны . Некоторые схемы импульсной модуляции также позволяют передавать узкополосный аналоговый сигнал как цифровой сигнал (т. Е. Как квантованный сигнал с дискретным временем ) с фиксированной скоростью передачи, который может передаваться по базовой системе цифровой передачи, например, по некоторой линии код . Это не схемы модуляции в общепринятом смысле, поскольку они не являются схемами кодирования канала , но должны рассматриваться как схемы кодирования источника , а в некоторых случаях методы аналого-цифрового преобразования.

Аналоговые методы над аналоговыми

Аналоговые методы над цифровыми

Разные методы модуляции

Смотрите также

Ссылки

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ): что это такое?

Большинство моделей электрического оборудования регулируемы. За счет этого достигается расширение их функциональных возможностей. Но в некоторых случаях без регулирования нормальная работа невозможна. Как, например, в газоразрядных лампах. Они работают совместно с балластом, который также именуется пускорегулирующей аппаратурой. В результате нагрузка работает при различных напряжениях, пониженных относительно питающей электросети. Об одной из разновидностей регулировок – ШИМ – расскажем далее.

Суть ШИМ

Аббревиатура ШИМ означает Широтно Импульсную Модуляцию. Это определение относится к электротехнике и электронике. Но физическое явление, которое лежит в основе ШИМ, существовало всегда. Речь идет об инерционности распространения тепла в различных средах. Простейший и наглядный пример – это картофель, запеченный в костре. Горячую картофелину перебрасывают из руки в руку тем чаще, чем она горячее. Тем самым уменьшая поток тепла от картофелины к руке и предотвращая ожог.

Ширина импульса – это значение времени. А если этот импульс характеризует изменение энергии, ее действующее значение эквивалентно площади, ограниченной линией импульса. Например, прямоугольный импульс связан с высотой (амплитудой) и шириной (временем). Поэтому одну и ту же площадь, а, следовательно, и количество энергии, можно получить, либо уменьшая амплитуду и увеличивая ширину импульса, либо наоборот, – увеличивая амплитуду и уменьшая время (ширину).

Способы управления электрической мощностью

Рассмотрим, в чем разница между этими двумя способами. Электрическая мощность может быть активной и определять выделяемое тепло. Также существует реактивная мощность, определяющая электромагнитные поля. В любом случае величина мощности зависит от внешнего воздействия – напряжения. Свойства нагрузки при том или ином напряжении повлияют на силу тока, а также на мощность.

Если уменьшать амплитуду напряжения на нагрузке, потребуется дополнительный элемент. Наиболее универсальным следует назвать резистор. Он создаст падение напряжения как при постоянном, так и при переменном напряжении. Но при этом станет источником тепловых потерь. Если напряжение переменное, вместо резистора может быть использован дроссель. В таком случае потери тепла будут пренебрежимо малы. Ведь они будут только в обмотке и сердечнике.

Но сопротивление обмотки минимально, и на ней практически нет активной составляющей напряжения с вытекающими из этого потерями. Так же, как и пластинчатый сердечник минимизирует вихревые токи и выделение тепла. Однако при этом дроссель массивен и громоздок. И главное, он работоспособен исключительно в электрической цепи с переменным напряжением. А управление таким индуктивным элементом существенно усложняет его конструкцию. При этом она получается электрически инерционной. А это свойство зачастую неприемлемо.

О ШИМ более детально

ШИМ дает альтернативную возможность регулирования как при постоянном, так и при переменном напряжении. В любом случае элемент, реализующий его, – это аналог выключателя, который работает по специальному алгоритму. Если нагрузка неизменна, как, например, кипятильник или лампа накаливания, зависимость частоты коммутации, именуемая скважностью импульсов, привязана к среднему значению напряжения. Соответственна этому и мощность – как электрическая, так и тепловая.

Однако, несмотря на универсальность и прочие положительные качества, ШИМ эффективен лишь при определенных минимальных характеристиках выключателя – того, что отрабатывает упомянутую скважность импульсов напряжения непосредственно на нагрузке. Напряжение на ней при коммутации изменяется не мгновенно. При замыкании цепи оно нарастает, а при отключении спадает в течение некоторого времени.

А поскольку в этих временных интервалах напряжение и ток приложены к выключателю, на нем выделяется некоторая мощность потерь (именуемых динамическими). Если интервалы слишком продолжительны, выделение тепла может быть опасным для работоспособности выключателя, и он получит необратимые повреждения. По этой причине выключатели, пригодные для большинства случаев, стали доступны лишь с появлением мощных быстродействующих полупроводниковых приборов.

Разновидности

ШИМ – схемы на лампах и реле при напряжениях электросети 220 В и выше – получались либо малоэффективными, либо вообще неработоспособными. Они могли нормально работать лишь при небольших напряжениях и токах. Современные схемы ШИМ, благодаря быстродействию и физическим принципам работы полупроводниковых ключей, стали основой вторичных источников питания. Среди них различают аналоговые и цифровые варианты.

Но в результате получается один и тот же результат – напряжение, регулируемое в заданных пределах. Нагляднее пояснить работу ШИМ при питании нагрузки постоянным напряжением. Например, автомобильная фара светит в полную силу при непрерывной подаче на нее напряжения аккумулятора. Если время пребывания фары под напряжением будет равно времени отключения, то при соотношении их на уровне секунд будет видно, что лампа включилась на полную яркость и затем выключилась. И так далее.    

Если время включения и выключения оставить одинаковыми, но уменьшить периодичность коммутаций, лампа будет мигать. Но при еще большем уменьшении периодичности коммутации яркость будет уменьшаться, а мигание становиться все менее заметным. И, начиная с определенного значения периодичности (частоты) коммутации, человеческий глаз будет видеть ровный свет, воспринимаемый как потускневший. На самом деле так и получится, фара будет светить в пол силы.

Если при этой же периодичности время включенного состояния увеличить, а выключенного на столько же уменьшить, света станет больше. И наоборот.

Принцип ШИМ

Диммер как разновидность ШИМ

Аналогично работает ШИМ и для нагрузки при переменном напряжении. Например, в диммерах. В них используется регулятор (на изображении ниже это VR), которым устанавливается так называемое опорное напряжение. С ним сравнивается напряжение, которое включает симистор. В зависимости от величины опорного напряжения отсекается часть полуволны напряжения, получаемого от сети 220 В. Свет лампы в результате управляется от нуля до максимума.

Принцип работы и схема диммера

На примере диммера понятно, что пауза перед включением тиристора является следствием относительно равномерного увеличения амплитуды синусоиды сетевого напряжения. Более сложные аналоговые и цифровые ШИМ работают со встроенным генератором пилообразного напряжения определенной частоты. Именно он определяет нарастание напряжения, с которым сравнивается управляемое ШИМ выходное напряжение.

Схема ШИМ с обозначением генератора пилообразного напряжения
Пилообразное напряжение от генератора на экране осциллографа

Аналоговые схемы ШИМ работают почти как диммеры. Разница лишь в том, что для формирования управляющих импульсов на основе пилообразного напряжения используется специальный операционный усилитель – компаратор. В цифровых ШИМ принцип работы совершенно другой. В них управляемое напряжение сначала преобразуется определенным образом, а затем ставится в зависимость от контролируемых импульсов, которые подсчитываются.

Примером такого ШИМ могут быть устройства с популярным микроконтроллером ARDUINO. Со временем аналогичных устройств становится все больше. Они заменяют громоздкие и тяжелые трансформаторы со стальными сердечниками. Это улучшает экономичность и материалоемкость электрооборудования. А также идет на пользу окружающей среде – уменьшается ее загрязнение. Так что ШИМ, бесспорно, является одним из выдающихся технических решений, успех которого неразрывно связан с достижениями научно-технической революции.

Похожие статьи:

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
S1
и S2
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 S1
и S2
осу­ществляется по следующему принципу.
При u_M(θ)
> u_H(θ)
ключ S1
включен, a
S2
выключен.
При u_M(θ)
< u_H(θ)
состояния ключей изменяются на
противоположные: S2
— включен, a
S1
— выключен. Таким образом, на выходе
инвертора формиру­ется напряжение в
виде двух полярных импульсов. В реальных
схемах для исключе­ния одновременной
проводимости ключей
S1
и S2
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_Mm
и U_Hm
— максимальные значения модулирующего
сигнала u_M(θ)
и несущего сигнала u_H(θ)
соответственно.

а

б

.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 S1
и S2
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):

^•(8.2)

При
малых значениях M_f
сигналы u_M(θ)
и u_H(θ)
должны быть синхронизированы, чтобы
избежать появления нежелательных
субгармоник. В [17] 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_am1
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_am1.
Предельное значение величины М_a
определяется прин­ципом рассматриваемого
вида модуляции, согласно которому
максимальное зна­чение U_am1
ограничено высотой полуволны прямоугольной
формы, равной
U_d/2.
При дальнейшем увеличении коэффициента
М_a
модуляция приводит к нелиней­ному
возрастанию амплитуды U_am1
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_fпреобразователей
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?

Микроконтроллеры и Технологии — Занятие №8. Реализация ШИМ

Под режимом работы 16-разр. таймера понимается его алгоритм счета и поведение связанного с ним выхода формирователя импульсов, что определяется комбинацией бит, задающих режим работы таймера (WGMn3-0) и режим формирования выходного сигнала (COMnx1:0). При этом биты задания режима формирования выходного сигнала не влияют на алгоритм счета, т.к. алгоритм счета зависит только от состояния бит задания режима работы таймера. В режимах с ШИМ биты COMnx1:0 позволяют включить/отключить инверсию на генерируемом ШИМ-выходе (т.е. выбрать ШИМ с инверсией или ШИМ без инверсии). Для режимов без ШИМ биты COMnx1:0 определяют, какое действие необходимо выполнить при возникновении совпадения: сбросить, установить или инвертировать выход (см. также “Блок формирования выходного сигнала” и «Временные диаграммы 16-разр. таймеров-счетчиков»).

Нормальный режим работы

Самым простым режимом работы является нормальный режим (WGMn3-0 = 0b0000). В данном режиме счетчик работает как суммирующий (инкрементирующий), при этом сброс счетчика не выполняется. Переполнение счетчика происходит при переходе через максимальное 16-разр. значение (0xFFFF) к нижнему пределу счета (0x0000). В нормальном режиме работы флаг переполнения таймера-счетчика TOVn будет установлен на том же такте синхронизации, когда TCNTn примет нулевое значение.

Фактически, флаг переполнения TOVn является 17-ым битом таймера-счетчика за тем исключением, что он только устанавливается и не сбрасывается. Однако программно это свойство может быть использовано для повышения разрешающей способности таймера, если использовать прерывание по переполнению таймера, при возникновении которого флаг TOVn сбрасывается автоматически. Для нормального режима работы не существует каких-либо особых ситуаций, поэтому запись нового состояния счетчика может быть выполнена в любой момент.

В нормальном режиме можно использовать блок захвата. Однако при этом следует соблюдать, чтобы максимальный интервал времени между возникновениями внешних событий не превысил периода переполнения счетчика. Если такое условие не соблюдается, необходимо использовать прерывание по переполнению таймера-счетчика или предделитель.

Блок сравнения может использоваться для генерации прерываний. Не рекомендуется использовать выход OCnx для генерации сигналов в нормальном режиме работы, т.к. в этом случае будет затрачена значительная часть процессорного времени.

Режим сброса таймера при совпадении (СТС)

В режиме СТС (WGM01, WGM00 =0b10) регистр OCR0 используется для задания разрешающей способности счетчика. Если задан режим CTC и значение счетчика (TCNT0) совпадает со значением регистра OCR0, то счетчик обнуляется (TCNT0=0). Таким образом, OCR0 задает вершину счета счетчика, а, следовательно, и его разрешающую способность. В данном режиме обеспечивается более широкий диапазон регулировки частоты генерируемых прямоугольных импульсов. Он также упрощает работу счетчика внешних событий.

В режиме сброса таймера при совпадении (WGMn3-0 = 0b0100 или 0b1100) разрешающая способность таймера задается регистрами OCRnA или ICRn. В режиме СТС происходит сброс счетчика (TCNTn), если его значение совпадает со значением регистра OCRnA (WGMn3-0 = 0b0100) или с ICRn (WGMn3-0 = 0b1100). Значение регистра OCRnA или ICRn определяет верхний предел счета, а, следовательно, и разрешающую способность таймера. В данном режиме обеспечивается более широкий диапазон регулировки частоты генерируемых прямоугольных импульсов. Он также упрощает работу счетчика внешних событий. Временная диаграмма работы таймера в режиме СТС показана на рисунке 1. Счетчик (TCNTn) инкрементирует свое состояние до тех пор, пока не возникнет совпадение со значением OCRnA или ICRn, а затем счетчик (TCNTn) сбрасывается.

Рисунок 1 – Временная диаграмма для режима СТС

По достижении верхнего предела счета может генерироваться прерывание с помощью флагов OCFnA или ICFn, соответствующим используемым регистрам для задания верхнего предела счета. Если прерывание разрешено, то процедура обработки прерывания может использоваться для обновления верхнего предела счета. Однако, задание значения вершины счета близкого к значению нижнего предела счета, когда счетчик работает без предделения или с малым значением предделения, необходимо выполнять с особой осторожностью, т.к. в режиме СТС нет двойной буферизации. Если значение, записанное в OCRnA или ICRn, меньше текущего значения TCNTn, то сброс счетчика по условию совпадения наступит, когда он достигнет максимального значения (0xFFFF), затем перейдет в исходное состояние 0x0000 и достигнет нового значения OCRnA или ICRn. Во многих случаях возникновение такой ситуации не желательно. В качестве альтернативы может выступить режим быстрой ШИМ, где регистр OCRnA определяет верхний предел счета (WGMn3-0 = 0b1111), т.к. в этом случае OCRnA имеет двойную буферизацию.

Для генерации сигнала в режиме CTC выход OCnA может использоваться для изменения логического уровня при каждом совпадении, для чего необходимо задать режим переключения (COMnA1, COMnA0 = 0b01). Значение OCnA будет присутствовать на выводе порта, только если для данного вывода задано выходное направление. Максимальная частота генерируемого сигнала равна fOC0 = fclk_I/O/2, если OCRnA = 0x0000. Для других значений OCRn частоту генерируемого сигнала можно определить по формуле:

где переменная N задает коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).

Также как и для нормального режима работы, флаг TOV0 устанавливается на том же такте таймера, когда его значение изменяется с 0xFFFF на 0x0000.

Режим быстрой ШИМ (FAST PWM)

Режим быстрой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (WGMn3-0 = 0b0101, 0b0110, 0b0111, 0b1110, 0b1111) предназначен для генерации ШИМ-импульсов повышенной частоты. В отличие от других режимов работы в этом используется однонаправленная работа счетчика. Счет выполняется в направлении от нижнего к верхнему пределу счета.

Если задан неинвертирующий режим выхода, то при совпадении TCNTn и OCRnx сигнал OCnx устанавливается, а на верхнем пределе счета сбрасывается. Если задан инвертирующий режим, то выход OCnx сбрасывается при совпадении и устанавливается на верхнем пределе счета. За счет однонаправленности счета, рабочая частота для данного режима в два раза выше по сравнению с режимом ШИМ с фазовой коррекцией, где используется двунаправленный счет. Возможность генерации высокочастотных ШИМ сигналов делает использование данного режима полезным в задачах стабилизации питания, выпрямления и цифро-аналогового преобразования. Высокая частота, при этом, позволяет использовать внешние элементы физически малых размеров (индуктивности, конденсаторы), тем самым снижая общую стоимость системы.

Разрешающая способность ШИМ может быть фиксированной 8, 9 или 10 разрядов или задаваться регистром ICRn или OCRnA, но не менее 2 разрядов (ICRn или OCRnA = 0x0003) и не более 16 разрядов (ICRn или OCRnA = 0xFFFF). Разрешающая способность ШИМ при заданном значении верхнего предела (ВП) вычисляется следующим образом:

В режиме быстрой ШИМ счетчик инкрементируется до совпадения его значения с одним из фиксированных значений 0x00FF, 0x01FF или 0x03FF (если WGMn3:0 = 0b0101, 0b0110 или 0b0111, соответственно), значением в ICRn (если WGMn3:0 = 0b1110) или значением в OCRnA (если WGMn3:0 = 0b1111), а затем сбрасывается следующим тактом синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима быстрой ШИМ представлена на рисунке 2. На рисунке показан режим быстрой ШИМ, когда для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn. Значение TCNTn на временной диаграмме показано в виде графика функции для иллюстрации однонаправленности счета. На диаграмме показаны как инвертированный, так и неинвертированный ШИМ-выходы. Короткой горизонтальной линией показаны точки на графике TCNTn, где совпадают значения OCRnx и TCNTnx. Флаг прерывания OCnx устанавливается при возникновении совпадении.

Рисунок 2 – Временная диаграмма для режима быстрой ШИМ

Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается всякий раз, когда счетчик достигает верхнего предела. Дополнительно тем же тактовым импульсом вместе с флагом TOVn могут установиться флаги OCnA или ICFn, если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, соответственно. Если одно из этих прерываний разрешено, то в процедуре обработки прерывания может быть выполнено обновление верхнего предела счета и порогов сравнения.

Если изменяется значение верхнего предела счета, то необходимо соблюдение условия, чтобы записываемое новое значение верхнего предела было больше или равно значений во всех регистрах порога сравнения. В противном случае совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не возникнет. Обратите внимание, что при использовании фиксированных значений верхнего предела во время записи в регистры OCRnx происходит маскирование к 0 неиспользуемых разрядов.

Механизм модификации регистра ICRn отличается от OCRnA в том случае, если он используется для задания верхнего предела. Регистр ICRn не имеет двойной буферизации. Это означает, что если в ICRn записывается малое значение во время работы счетчика с малым предделением или без него, то имеется опасность записи в регистр ICRn значения, которое окажется меньше текущего значения TCNTn. Как результат, в такой ситуации будет пропущено совпадение на вершине счета. В этом случае счетчик дойдет до максимального значения (0xFFFF), перезапустится со значения 0x0000, а только затем возникнет совпадение. Регистр OCRnA содержит схему двойной буферизации, поэтому, его можно модифицировать в любой момент времени.

Если выполняется запись по адресу OCRnA, то фактически значение помещается в буферный регистр OCRnA. Если же возникает совпадение между TCNTn и вершиной счета, то следующим тактом синхронизации таймера происходит копирование буферного регистра в регистр порога сравнения OCRnA. Обновление регистра выполняется тем же тактом, что и сброс TCNTn и установка флага TOVn.

Рекомендуется использовать регистр ICRn для задания верхнего предела, если верхний предел счета является константой. В этом случае также освобождается регистр OCRnA для генерации ШИМ-сигнала на выходе OCnA. Однако, если частота ШИМ динамически изменяется (за счет изменения верхнего предела), то в этом случае выгоднее использовать регистр OCRnA для задания верхнего предела, т.к. он поддерживает двойную буферизацию.

В режиме быстрой ШИМ блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-сигналы на выводах OCnx. Если COMnx1:0 =0b10, то задается ШИМ без инверсии выхода, а если COMnx1:0 = 0b11, то задается режим ШИМ с инверсией на выходе (см. таблицу 59). Фактическое значение OCnx можно наблюдать на выводе порта, если для него задано выходное направление (DDR_OCnx). ШИМ-сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при возникновении совпадения между OCRnx и TCNTn, а также путем сброса (установки) регистра OCnx вместе со сбросом счетчика (переход с верхнего предела на нижний предел).

Частота ШИМ выходного сигнала для заданного значения верхнего предела (ВП) определяется выражением:

где N – переменная, которая задает значение коэффициента предделения (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).

Запись предельных значений в регистр OCRnx связана с особыми случаями в генерации ШИМ-импульсов. Если OCRnx установить равным нижнему пределу (0x0000), то на выходе будет возникать короткий импульс каждый (ВП+1)-ый такт синхронизации таймера. Запись в OCRnx значения равного верхнему пределу приведет к установке постоянного уровня лог. 1 или 0 на выходе (зависит от выбранной с помощью бит COMnx1:0 полярности выходного сигнала).

Если требуется генерация меандра (прямоугольные импульсы со скважностью 2 или заполнением 50%) высокой частоты, то необходимо использовать режим быстрой ШИМ с установкой бит COMnA1:0 = 0b01, которая вызывает переключение (инвертирование) логического уровня на выходе OCnA при каждом совпадении. Данное применимо, только если OCRnA используется для задания верхнего предела (WGMn3-0 =0b1111). Максимальная генерируемая частота меандра в этом случае fOCnA = fclk_I/O/2, если OCRnA =0x0000. Данная особенность аналогична переключению OCnA в режиме СТС за исключением двойной буферизации, которая имеется в режиме быстрой ШИМ.

Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой коррекцией (Phase Correct)

Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой коррекцией (ШИМ ФК) (WGMn3-0 = 0b0001, 0b010, 0b0011, 0b1010 или 0b1011) предназначен для генерации ШИМ сигнала с фазовой коррекцией и высокой разрешающей способностью. Режим ШИМ ФК основан на двунаправленной работе таймера-счетчика. Счетчик циклически выполняет счет в направлении от нижнего предела (0x0000) до верхнего предела, а затем обратно от верхнего предела к нижнему пределу. Если задан неинвертирующий режим выхода формирователя импульсов, то выход OCnx сбрасывается/устанавливается при совпадении значений TCNTn и OCRnx во время прямого/обратного счета. Если задан инвертирующий режим выхода, то, наоборот, во время прямого счета происходит установка, а во время обратного – сброс выхода OCnx. При двунаправленной работе максимальная частота ШИМ-сигнала меньше, чем при однонаправленной работе, однако, за счет такой особенности, как симметричность в режимах ШИМ с двунаправленной работой, данные режимы предпочитают использовать при решении задач управления приводами.

Разрешающая способность ШИМ в данном режиме может быть либо фиксированной (8, 9 или 10 разрядов) либо задаваться с помощью регистра ICRn или OCRnA. Минимальная разрешающая способность равна 2-м разрядам (ICRn или OCRnA = 0x0003), а максимальная -16-ти разрядам (ICRn или OCRnA =0xFFFF). Если задан верхний предел, то разрешающая способность ШИМ в данном режиме определяется следующим образом:

В режиме ШИМ ФК счетчик инкрементируется пока не достигнет одного из фиксированных значений 0x00FF, 0x01FF или 0x03FF (соответственно для WGMn3-0 = 0b0001, 0b0010 или 0b0011), а также значения равного ICRn (если WGMn3-0 = 0b1010) или OCRnA (если WGMn3:0 = 0b1011). Далее, при достижении верхнего предела, счетчик изменяет направление счета. Значение TCNTn остается равным верхнему пределу в течение одного такта синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима ШИМ ФК представлена на рисунке 3. На рисунке показан режим ШИМ ФК с использованием регистра OCRnA или ICRn для задания верхнего предела. Состояние TCNTn представлено в виде графика функции для иллюстрации двунаправленности счета. На рисунке представлены, как неинвертированный, так и инвертированный ШИМ-выход. Короткие горизонтальные линии указывают точки на графике изменения TCNTn, где возникает совпадение со значением OCRnx. Флаг прерывания OCnx устанавливается при возникновении совпадения.

Рисунок 3 – Временная диаграмма для режима ШИМ ФК

Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается всякий раз, когда счетчик достигает нижнего предела. Если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, то, соответственно устанавливается флаг OCnA или ICFn тем же тактовым импульсом, на котором произошло обновление регистра OCRnx из буферного регистра (на вершине счета). Флаги прерывания могут использоваться для генерации прерывания по достижении счетчиком нижнего или верхнего предела.

При изменении значения верхнего предела счета необходимо следить, чтобы оно было больше или равно значениям во всех регистрах сравнения. В противном случае совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не возникнет. Обратите внимание, что при использовании фиксированных значений верхнего предела счета во время записи в регистры OCRnx неиспользуемые разряды обнуляются. Третий период на рисунке 53 иллюстрирует случай, когда динамическое изменение верхнего предела счета приводит к генерации несимметричного импульса. Данная особенность основывается на времени обновления регистра OCRnx. Поскольку, обновление OCRnx возникает на вершине счета, то и период ШИМ начинается и заканчивается на вершине счета. Это подразумевает, что длительность обратного счета определяется предыдущим значением верхнего предела, а прямого – новым значением верхнего предела. Если два этих значения разные, то и длительность прямого и обратного счета будет также отличаться. Различие в длительности приводит несимметричности выходных импульсов.

Если стоит задача изменения верхнего предела при работающем счетчике, то вместо этого режима рекомендуется использовать режим ШИМ ФЧК (фазовая и частотная коррекция). Если используется статическое значение верхнего предела, то между данными режимами практически нет отличий.

В режиме ШИМ ФК блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-сигналы на выводах OCnx. Если установить COMnx1:0 = 0b10, то выход ШИМ будет без инверсии, а если COMnx1:0=0b11, то с инверсией. Фактическое значение OCnx можно наблюдать на выводе порта, если в регистре направления данных для данного вывода порта задано выходное направление (DDR_OCnx). ШИМ-сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при совпадении значений OCRnx и TCNTn во время прямого счета, а также путем сброса (установки) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время обратного счета. Результирующая частота ШИМ-сигнала в режиме ШИМ ФК при заданном верхнем пределе (ВП) может быть вычислена по следующему выражению:

где N – коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).

Запись предельных значений в регистр OCRnx связано с особыми случаями в генерации ШИМ-сигналов в режиме ШИМ ФК. Если задать режим ШИМ без инверсии и OCRnx установить равным нижнему пределу, то на выходе непрерывно будет установлен лог. 0, а если равным верхнему пределу, то на выходе постоянно присутствует лог. 1. Для ШИМ с инверсией указанные уровни необходимо заменить противоположными.

Если задать использование OCnA в качестве верхнего предела (WGMn3:0 = 0b1011) и установить COMnA1:0 =0b01, то на выходе OCnA будет генерироваться меандр.

Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой и частотной коррекцией (Phase and Frequency Correct)

Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой и частотной коррекцией (ШИМ ФЧК) (WGMn3-0 = 0b1000 или 0b1001) предназначен для генерации ШИМ-импульсов высокой разрешающей способности с фазовой и частотной коррекцией. Также как и режим ШИМ ФК режим ШИМ ФЧК основан на двунаправленной работе счетчика. Счетчик циклически считает от нижнего предела (0x0000) до верхнего предела, а затем обратно от верхнего предела к нижнему пределу. Если задан неинвертирующий режим ШИМ, то выход OCnx сбрасывается, если возникает совпадение между TCNTn и OCRnx во время прямого счета, и устанавливается, если возникает совпадение во время обратного счета. В инвертирующем режиме работа инверсная. Двунаправленная работа, по сравнению с однонаправленной, связана с генерацией более низких частот. Однако, благодаря симметричности в режимах ШИМ с двунаправленным счетом, их применение предпочтительно в задачах управления приводами.

Основное отличие между режимами ШИМ ФК и ШИМ ФЧК состоит в моменте обновления регистра OCRnx из буферного регистра OCRnx (см. рисунок 3 и рисунок 4).

Разрешающая способность ШИМ в этом режиме может задаваться с помощью регистра ICRn или OCRnA. Минимальная разрешающая способность равна 2-ум разрядам (ICRn или OCRnA = 0x0003), а максимальная разрешающая способность — 16-ти разрядам (ICRn или OCRnA = 0xFFFF). Разрешающая способность ШИМ в разрядах может быть вычислена по следующему выражению:

В режиме ШИМ ФЧК счетчик инкрементируется до совпадения со значением в ICRn (WGMn3:0 = 0b1000) или в OCRnA (WGMn3:0 = 0b1001). Это означает достижение вершины счета, после чего происходит изменение направления счета. Значение TCNTn остается равным вершине счета в течение одного такта синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима ШИМ ФЧК показана на рисунке 54. На рисунке показан режим ШИМ ФЧК, когда вершину счета задает регистр OCRnA или ICRn. Значение TCNTn показано в виде графика функции для иллюстрации двунаправленности счета. На диаграмме показан как неинвертирующий, так и инвертирующий ШИМ выходы. Короткие горизонтальные линии указывают на точки график TCNTn, где возникает совпадение между OCRnx и TCNTn. Флаг прерывания OCnx устанавливается после возникновения совпадения.

Рисунок 4 – Временная диаграмма режима ШИМ с фазовой и частотной коррекцией

Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается тем же тактом, когда произошло обновление регистров значением из буферного регистра (на нижнем пределе счета). Если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, то по достижении счетчиком верхнего предела устанавливается флаг OCnA или ICFn, соответственно. Флаги прерывания могут использоваться для генерации прерывания при достижении счетчиком верхнего или нижнего предела.

При изменении верхнего предела необходимо следить, чтобы новое значение было больше или равно значениям во всех регистрах порога сравнения. В противном случае, если задано значение верхнего предела меньше любого из значений регистров порога сравнения, совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не наступит.

На рисунке 4 показано, что в отличие от режима ШИМ ФК, генерируемый выходной сигнал симметричен на всех периодах. Поскольку, регистры OCRnx обновляются на нижнем пределе счета, то длительности прямого и обратного счетов всегда равны. В результате выходные импульсы имеют симметричную форму, а, следовательно, и откорректированную частоту.

Использование регистра ICRn для задания верхнего предела рекомендуется, если значение верхнего предела является константой. В этом случае также освобождается регистр OCRnA для широтно-импульсной модуляции импульсов на выводе OCnA. Однако если требуется динамическое изменение частоты ШИМ за счет изменения верхнего предела, то для задания верхнего предела рекомендуется использовать регистр OCRnA за счет наличия у него двойной буферизации.

В режиме ШИМ ФЧК блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-импульсы на выводе OCnx. Если COMnx1:0 = 0b10, то задается неинвертирующий ШИМ выход, а, если COMnx1:0=0b11, то инвертирующий (см. таблицу 60). Значение OCnx будет присутствовать на соответствующем выводе порта только в случае, если для него задано выходное направление. ШИМ сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время прямого счета и сброса (установки) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время обратного счета. Частота ШИМ в данном режиме при заданном верхнем пределе (ВП) счета определяется следующим образом:

где N – коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).

Запись предельных значений в регистр OCRnx связана с особыми случаями в генерации ШИМ-сигналов в данном режиме. Если задать OCRnx равным нижнему пределу (0x0000), то в неинвертирующем режиме на выходе будет постоянного присутствовать низкий логический уровень, а при записи значения равного верхнему пределу на выходе будет длительно присутствовать высокий логический уровень. В инвертирующем режиме приведенные уровни будут противоположными.

Если OCRnA используется для задания верхнего предела (WGMn3:0 = 0b1001) и COMnA1:0 = 0b01, то на выходе OCnA будет генерироваться меандр.

К пониманию векторной системы широтно-импульсной модуляции инвертора напряжения



Одной из блестящих работ по векторным системам широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора напряжения, на наш взгляд, является работа [1]. Но рекомендовать ее студентам, начинающим овладевать данной темой, было бы преждевременно в силу высокой степени обобщения. В этой статье на конкретных примерах мы попытались пояснить смысл одной из формул в векторной форме, приведенной в [1].

Возможные дискретные включения силовых ключей автономного инвертора напряжения (АИН) (8 различных положений) с их кодами состояния и направлением образующих векторов приводим из этой работы [1], как показано на рис. 1 и в таблице 1.

Рис. 1. Структура системы «АИН ШИМ — нагрузка»

Таблица 1

Автором [1] показывается сложность получения вращающегося вектора напряжения в любой момент времени. Максимально приближаясь к обозначениям автора фундаментальной работы, нам необходимо понять, как из ограниченного числа возможных включений силовых ключей можно получить вектор в любом положении отличных от образующих векторов (,, …, ) (рис. 2.)

Рис. 2. Правильный шестиугольник с образующими векторами

На наш взгляд, автором неслучайно выбран промежуточный вектор , расположенный между образующими и , причем меньше образующих. Для начинающих овладевать векторной системой ШИМ наилучшим входом в понимание вращающегося вектора, наверное, является именно расположение между указанными векторами и .

Он показывает, что вращающийся вектор можно определить с помощью следующей формулы:

Именно здесь, на наш взгляд, начинающему трудно включиться в процесс понимания без конкретных примеров.

В приведенной формуле и — относительные длительности попеременного включения силовых ключей, реализующих векторы и .

Естественно, если предположить, что , т.е. за некоторый промежуток времени, равный половине периода модуляции, нагрузка будет питаться схемой с кодом 010, а другую половину — с кодом 110, то вектор будет находиться посередине векторов и .

Период, в течение которого происходят эти переключения с выдержками времени и , автор назвал периодом модуляции ШИМ или усреднения (аппроксимации).

Покажем на конкретных примерах процесс движения вектора от к (рис. 3), который является частью правильного шестиугольника. Для ускорения в процесс понимания примем модули образующих векторов за единицу, т.е. . Когда будет понят весь механизм движения вектора , можно сделать привязку к напряжению выпрямителя . Длину векторов и полезно взять 10 см, тогда проще проконтролировать полученные результаты на калькуляторе или на компьютере.

Построим декартову систему координат. Горизонтальную ось (+j) обозначим β, вертикальную (+1) – α.

Соединим вершины векторов и прямой, перпендикулярной оси β. Для более корректного построения проведем дугу окружности от к и разделим на десять частей (за один период напряжения сети уложится шестьдесят периодов модуляции или при частоте 50 Гц частота модуляций составит 3 кГц). Соединим их с началом координат. Обозначим точки пересечения с прямой : 1, 2, 3, …, 10.

Рис. 3. Последовательный переход вращающегося вектора от образующего вектора к по вертикальной линии

Покажем векторы , , , …, и рассмотрим работу формулы при движении от к по вертикали за соответствующие периоды модуляции (аппроксимации или усреднения).

Длительности и заданы следующим образом (модуль ) [1]:

В конце работы в примечании дадим выводы формулы для τ₂.

1. Движение вращающегося вектора по вертикальной линии шестиугольника (рис. 3).

Подробно дадим расчет для точек 1, 5, 9 и 10. Результаты расчетов остальных точек сведем в общую таблицу 2.

Точка 1 (рис. 3).

где или

Так как , следовательно, (рассматриваем идеализированные ключи, не учитываем «мертвое время»).

К моменту времени τ (период T) вектор повернулся против часовой стрелки на 6°, и его модуль уменьшился до 0,947982825 вследствие попеременного переключения силовых ключей с кодами 010 → 110 → 010.

Рис. 4. Картина процесса получения среднего вектора

Точка 5 (рис. 3).

Так как , то (рис. 5).

Рис. 5. Картина процесса получения среднего вектора

Точка 9 (рис. 3).

Так как , то (рис. 6).

Рис. 6. Картина процесса получения среднего вектора

Точка 10 (рис. 3).

Так как , то .

Таблица 2

2. Движение вращающегося вектора по дуге с радиусом (рис. 7).

Приведем расчет для точек 2’, 9’ и 10’. Результаты расчетов остальных точек сведем в общую таблицу 3.

Рис. 7. Последовательный переход вращающегося вектора от образующего вектора к по дуге с радиусом

Точка 2’ (рис. 7).

Модуль

Таким образом, для того, чтобы уменьшить модуль вектора с 0,910593 для точки (2) до , необходимо сделать паузу с общим временем отключения (рис. 8).

Получим среднее напряжение за период модуляции:

Рис. 8. Картина процесса получения среднего вектора

Точка 9’ (рис. 7).

Определим среднее напряжение за период модуляции (рис. 9):

Рис. 9. Картина процесса получения среднего вектора

Точка 10’ (рис. 7).

Определим среднее напряжение за период аппроксимации:

Таблица 3

Примечание:

К выводу формул определения относительной длительности τ₂

Ранее была приведена следующая формула для определения :

Рассмотрим это уравнение для точки 4 (рис. 10). Для этой точки τ₀ = 0, поэтому:

Через проекции:

Для точки 4 τ_2.4 = 0,6; τ_3.4 = 0,4.

Примем U₂ = U₃ = 1, тогда

Вектор совпадает с ранее полученным другим путем.

Рис. 10. К пояснению формулы

К выводу относительной длительности включения ключей τ₂

В соответствии с рис. 2 проекции модуля вектора на оси α и β определятся по следующим формулам:

где

Умножим первое уравнение на , а второе на :

Сложим полученные уравнения и разделим на U:

Выразим τ₂:

Вывод формулы для относительной длительности τ₃ производится аналогично.

Возвращаясь к формуле , с которой мы начали, к сожалению, необходимо отметить, что сделан нами только первый шаг к ее пониманию на конкретных примерах. В конечном счете наиболее глубокое понимание смысла придет только после ее реализации в системе управления АИН ШИМ на микроконтроллере.

Литература:

1. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. — Екатеринбург: УРО РАН, 2000. — 654 с.

Основные термины (генерируются автоматически): вращающийся вектор, картина процесса получения среднего вектора, вектор, период модуляции, вывод формулы, код состояния, общая таблица, относительная длительность, последовательный переход, правильный шестиугольник.

Planet Analog — широтно-импульсная модуляция PWM; Основы и некоторые расширенные концепции

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это базовая концепция, которая используется во многих областях электроники. ШИМ — это простой метод усреднения, который используется во всем: от процента мощности микроволн до затемнения светодиодов. Способы реализации также просты, но есть довольно сложные аспекты.

Один из самых простых способов объяснить ШИМ — это светодиодное освещение. Светодиоды включаются с рекомендованным током, прежде всего для оптимальной яркости.Вторичными параметрами рабочего тока являются тепловыделение и долговременная надежность. Вместо уменьшения рабочего тока, время включения светодиода является импульсным с использованием рабочего цикла. Таким образом, кажется, что светодиод тускнеет, хотя с текущей точки зрения все еще работает в хорошем состоянии.

Когда я использую микроволновую печь на определенном уровне мощности, я слышу, как вентилятор работает постоянно, однако скорость меняется, когда скачки напряжения включаются и выключаются. В некотором смысле эта операция похожа на уменьшение яркости светодиода, когда 100% мощность во время включения усредняется для получения процентной настройки мощности.

Электропривод с регулируемой скоростью — еще одна область, в которой методы ШИМ используются для управления скоростью двигателя путем усреднения времени включения.

PWM был излюбленным методом работы с импульсными источниками питания (SMPS) в течение последних 30 лет или около того. Разработка подходящих полупроводников и особенно переключающих транзисторов позволила ШИМ стать признанным методом передачи энергии. Типичное отношение входного (Vin) понижающего регулятора к выходному напряжению (Vout) — это рабочий цикл (D) ШИМ, где

Vout / Vin = D.

Таким образом, понижающий или понижающий стабилизатор создает выходное напряжение, которое является процентным (средним) значением входного напряжения.

Создать сигнал ШИМ довольно просто. Все, что требуется, — это треугольная или пилообразная волна заданной частоты, подаваемая на отрицательную сторону компаратора, а сигнал модуляции подается на положительную сторону компаратора. Пиковое значение формы волны должно превышать диапазон сигнала модуляции для достижения полной 100% ширины импульса рабочего цикла.

До сих пор ШИМ — это сигнал прямого усреднения, основанный на постоянной частоте и модуляции заднего фронта. Другими словами, тактовый генератор инициирует сигнал ШИМ, а завершение заднего фронта — это рабочий цикл импульса. Однако существуют и другие методы ШИМ, включая модуляцию заднего фронта. Этот метод был исследован в исследованиях силовой электроники в Технологическом институте Вирджинии и показал, что он имеет преимущества в компенсации нулевого значения правой полуплоскости при повышении, а также обратных преобразователях. В отрывке из аналогичной работы говорится: «Показано, как ШИМ с фиксированной частотой и модуляцией по переднему фронту может устранить нежелательный положительный ноль в практических повышающих и обратных преобразователях.Это позволяет существенно улучшить характеристики замкнутого контура. Для прогнозирования этого результата используются несколько методов. Приведена методика расчета исключения положительного нуля. Предусмотрена экспериментальная проверка ».

Однако, похоже, что модуляция переднего фронта может создавать проблемы в дополнение к их решению, согласно доктору Рэю Ридли, на веб-сайте которого говорится: «Примечание: это анализ существующей спутниковой энергосистемы, в которой удалось устранить нулевое значение RHP путем продуманный и интуитивно понятный дизайн.Не рекомендуется строить таким образом повышающие или обратные преобразователи, но в какой-то момент вы можете столкнуться с этим явлением. Интересная статья, если вы занимаетесь теорией управления преобразователями. В большинстве случаев это непрактично, поскольку требует использования конденсаторов с высоким ESR, что приводит к повышенным потерям и шуму ».

Другие формы ШИМ включают модуляцию как переднего, так и заднего фронта сигнала. Объяснение ШИМ в Википедии включает рисунок, на котором показаны три типа модуляции (отведение, центр, след):

Три типа сигналов ШИМ (синий): модуляция по переднему фронту (вверху), модуляция по заднему фронту (в середине) и центрированные импульсы (модулируются оба фронта, внизу).Зеленые линии — это пилообразный сигнал (первый и второй случаи) и треугольный сигнал (третий случай), используемый для генерации сигналов ШИМ с использованием метода пересечения. (Изображение предоставлено Википедией)

Аналоговая генерация ШИМ — не единственный используемый метод. Поскольку цифровое управление добавляет электронике все больше и больше интеллекта, все большее распространение получают цифровые методы ШИМ. И снова наши друзья из Университета Колорадо обратились к цифровой ШИМ в своих исследованиях силовой электроники.Я нашел эту работу весьма интересной, поскольку в ней не только рассматривались вопросы дискретизации и аналого-цифрового преобразования, но и были ссылки на соответствующие уравнения состояния, а также уравнения усиления контура для аспекта управления. Также были представлены графики Боде, чтобы показать коэффициент усиления контура и фазовые характеристики.

В заключение, ШИМ — это намного больше, чем просто базовое усреднение. При правильной реализации в системе можно оптимизировать стабильность контура управления и время отклика. Мне понравилась эта тема и чтение.Я надеюсь, что ты тоже. Помимо этого вводного блога, можно узнать гораздо больше о ШИМ.

Список литературы

1. «Широтно-импульсная модуляция — приводы двигателей постоянного тока»
2. «Использование передовой модуляции для преобразования повышающих и обратных преобразователей в системы с минимальной фазой и нулем» Sable, Dan M .; Чо, Бо Х .; Ридли, Рэй Б., AA (Политехнический институт и университет штата Вирджиния, Блэксбург), AB (Политехнический институт и университет штата Вирджиния, Блэксбург), AC (Политехнический институт и университет штата Вирджиния, Блэксбург), IEEE, Конференция по прикладной силовой электронике, Лос-Анджелес Анхелес, Калифорния, март.12–16, 1990 IEEE Transactions on Power Electronics (ISSN 0885-8993), vol. 6 октября 1991 г., стр. 704-711.10 / 1991
3. «Минимальная фазовая характеристика в повышающих и обратных преобразователях с цифровым управлением» Вахид Юсефзаде, Марико Ширази и Драган Максимович, Центр силовой электроники Колорадо, Департамент ECE, Университет Колорадо, Боулдер, штат Колорадо, штат Колорадо, 80309-0425
4. Соболь, Д. М., Б. Х. Чо и Р. Б. Ридли, Устранение положительного нуля в повышающих и обратных преобразователях с фиксированной частотой, Материалы конференции IEEE Applied Power Electronics, Лос-Анджелес, Калифорния, март 1990 г., стр.205-211. Поиск среди более старых публикаций Ridley Engineering здесь
5. «Широтно-импульсная модуляция» Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция, сокращенно ШИМ, представляет собой метод передачи информации в виде серии импульсов. Передаваемые данные кодируются по ширине этих импульсов, чтобы контролировать количество энергии, передаваемой на нагрузку. Другими словами, широтно-импульсная модуляция — это метод модуляции для генерации импульсов переменной ширины для представления амплитуды входного аналогового сигнала или волны.Популярные применения широтно-импульсной модуляции — это подача энергии, регулировка и усиление напряжения, а также звуковые эффекты.

Широтно-импульсная модуляция используется для уменьшения общей мощности, подаваемой на нагрузку, без потерь, которые обычно возникают, когда источник питания ограничен резистивным элементом. Основной принцип всего процесса состоит в том, что средняя передаваемая мощность прямо пропорциональна рабочему циклу модуляции. Если скорость модуляции высока, можно сгладить последовательность импульсов с помощью пассивных электронных фильтров и восстановить среднюю аналоговую форму волны.

Системы управления мощностью с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией могут быть реализованы с использованием полупроводниковых переключателей. Здесь дискретное состояние ВКЛ или ВЫКЛ самой модуляции может использоваться для управления переключателями, тем самым управляя напряжением или током на нагрузке. Основным преимуществом переключателей этого типа является то, что падение напряжения на них в проводящем и непроводящем состояниях в идеале равно нулю. Область применения ШИМ включает усилители звука класса D, регулировку скорости двигателя постоянного тока и диммеры, распространенные в домах.Широтно-импульсная модуляция широко используется в регуляторах напряжения. Он работает путем переключения напряжения на нагрузку с соответствующим рабочим циклом; выход будет поддерживать напряжение на желаемом уровне.

Широтно-импульсная модуляция также используется в синтезе звука, особенно в субтрактивном синтезе, поскольку этот процесс дает эффект хоруса или эффект слегка расстроенных генераторов, играемых вместе. Еще одно применение ШИМ, как упоминалось ранее, — это усилители класса D, известные большей четкостью звука наряду с его основной функцией — усилением.Усилитель класса D вырабатывает ШИМ-эквивалент входного аналогового сигнала, который, в свою очередь, подается на громкоговоритель после фильтрации несущей волны путем передачи ее через подходящую сеть фильтров. Усилители класса D пользуются все большим спросом из-за их большей эффективности, легкости и стоимости. Кроме того, из-за того, что ШИМ-выход полностью включен / выключен, такие усилители выделяют меньше тепла, чем их традиционные аналоговые аналоги.

Введение в ШИМ — широтно-импульсную модуляцию.

Цифровое устройство вроде микроконтроллера может легко работать с входами и выходами.
у этого есть только два состояния: включено и выключено. Таким образом, вы можете легко использовать его для управления светодиодами
состояние, т.е. включено или выключено. Таким же образом вы можете использовать его для управления любым электрическим
включение / выключение устройства с помощью соответствующих драйверов (транзистор, симистор, реле и т. д.). Но иногда
вам нужно больше, чем просто «включить» и «выключить» контроль над
устройство. Например, если вы хотите контролировать яркость светодиода (или любой лампы) или
скорость двигателя постоянного тока, то цифровые (вкл / выкл) сигналы просто не могут этого сделать.Эта ситуация
очень умно обрабатывается методом, называемым ШИМ или широтно-импульсной модуляцией.

PWM — это метод, используемый для генерации аналоговых сигналов от цифрового устройства.
как MCU. Почти все современные микроконтроллеры имеют специальное оборудование для генерации сигналов ШИМ.
В этом уроке мы изучим основы техники ШИМ, а позже мы
посмотреть, как реализовать генерацию ШИМ с микроконтроллерами AVR.

PWM: широтно-импульсная модуляция

Цифровое устройство, такое как микроконтроллер, может генерировать только два уровня на своем
выходные линии, HIGH = 5V и LOW = 0V.Но что, если мы хотим генерировать 2,5 В или 3,1 В
или любое напряжение между 0-5 вольт на выходе? Вместо этого для таких требований
генерации постоянного выходного напряжения постоянного тока мы генерируем прямоугольную волну, которая
имеет высокий = 5 В и низкий = 0 В (см. рисунок 1).

На рисунке вы видите сигнал ШИМ.Как видите, это просто цифровой
сигнал (может быть легко сгенерирован микроконтроллерами). Но позвольте мне уточнить некоторые его свойства.

• Сигнал остается «ВКЛ» в течение некоторого времени и «ВЫКЛ» в течение
  когда-то.
• Ton = Время, в течение которого выходная мощность остается высокой.
• Toff = Время на выходе остается низким.
• Когда выходное напряжение высокое, напряжение 5В
• Когда выход низкий, напряжение 0В
• T = период времени = Ton + Toff

Рабочий цикл.

Определяется

Итак, вы можете видеть, что это всего лишь процент от общего времени, в течение которого выход был высоким.
На приведенном выше рисунке (рис. 1) вы можете видеть, что Ton = Toff = половина времени
период. Таким образом, рабочий цикл составляет 50%. Если частота такой волны достаточно
при высоком (скажем, 500 Гц) выходной сигнал составляет половину 5 В, то есть 2,5 В. Таким образом, если это
выход подключен к двигателю (с помощью подходящих драйверов), он будет работать на
50% его полной скорости при 5В.Метод ШИМ использует этот факт для генерации
любое напряжение между двумя крайними значениями (например, между 0–12 вольт). Хитрость
заключается в изменении рабочего цикла от 0 до 100% и получении такого же процента входного напряжения.
для вывода. Ниже приведены несколько примеров сигналов ШИМ с разным рабочим циклом.

Итак, вы только что увидели, как мы можем генерировать аналоговые уровни напряжения из цифровой системы.
используя технику ШИМ.Если выход снабжен фильтром R / C, вы получите
чистые уровни сигналов постоянного тока вместо прямоугольных сигналов. Но это не требуется для
приводных двигателей или управления яркостью светодиода. Вы можете подавать сигналы ШИМ
непосредственно к нему (прямо я имею в виду без фильтра R / C, а не драйверов
(например, транзистор и т. д.)).

В следующем уроке мы увидим , как на самом деле генерировать сигналы ШИМ.
от AVR MCU . А пока до свидания. Но не забудь оставить свой
комментарий! Возможно, у вас есть сомнения, пожелания или отзывы, не стесняйтесь
сказать !

Прототип JLCPCB: 2 доллара США за 10 печатных плат, 48 часов Quick Turn

Крупнейшее в Китае предприятие по производству прототипов печатных плат, более 300 000 клиентов и более 10 000 онлайн-заказов в день

Легко получить цитату онлайн: https: // jlcpcb.com / quote

Возникли проблемы с вашим проектом встраиваемых систем, электроники или робототехники? Мы здесь, чтобы помочь!
Отправьте запрос о помощи.

Avinash

Avinash Gupta ориентирован исключительно на бесплатные и высококачественные учебные материалы, чтобы сделать изучение встроенных систем увлекательным!

Другие сообщения — Веб-сайт

Следуй за мной:

широтно-импульсная модуляция — WikiChip

Полупроводники и вычислительная техника

• WikiChip

  WikiChip

  ---

  • WikiChip

    • Дом
    • Случайная статья
    • Последние изменения
    • Подача стружки

  • Покрытие предохранителя

    • Последние новости
    • ISSCC
    • IEDM
    • СБИС
    • Горячие чипсы
    • SuperComputing

  • Социальные сети

    • Твиттер
    • Флипборд

  Популярный

  ---

  • Компании

    • Intel
    • драм
    • ARM
    • Qualcomm

  • Микроархитектуры

    • Skylake (Клиент)
    • Skylake (Сервер)
    • Зен
    • Coffee Lake
    • Дзен 2

  • Технологические узлы

    • 14 нм
    • 10 нм
    • 7 нм

• Архитектуры

  Популярные x86

  ---

  • Intel

    • Клиент
      • Skylake
      • Озеро Каби
      • Coffee Lake
      • Ледяное озеро
    • Сервер
      • Skylake
      • Каскадное озеро
      • Озеро Купер
      • Ледяное озеро
    • Большие ядра
      • Санни Коув
      • Willow Cove
    • Малые ядра
      • Голдмонт
      • Голдмонт Плюс
      • Tremont
      • Грейсмонт

  • драм

    • Зен
    • Zen +
    • Дзен 2
    • Дзен 3

  Популярные ARM

  ---

  • РУКА

    • Сервер
      • Neoverse N1
      • Зевс
    • Большой
      • Cortex-A75
      • Cortex-A76
      • Cortex-A77
    • маленький
      • Cortex-A53
      • Cortex-A55

  • Кавий

    • Вулкан

  • Samsung

    • Exynos M1
    • Exynos M2
    • Exynos M3
    • Exynos M4
• Чипсы

  Популярные семьи

  ---

  • Intel

    • Ядро i3
    • Core i5
    • Core i7
    • Core i9
    • Xeon D
    • Xeon E
    • Xeon W
    • Ксеон бронза
    • Xeon Серебро
    • Xeon Gold
    • Xeon Platinum

  • драм

    • Ryzen 3
    • Ryzen 5
    • Ryzen 7
    • Ryzen Threadripper
    • EPYC
    • EPYC встроенный

  • Ампер

    • eMAG

  • Яблоко

  Широтно-импульсная модуляция — Справка разработчика

  Переключить навигацию

  • Инструменты разработки
    • Какие инструменты мне нужны?
    • Программные инструменты
      • Начните здесь
      • MPLAB® X IDE
        • Начните здесь
        • Установка
        • Введение в среду разработки MPLAB X
        • Переход на MPLAB X IDE
          • Переход с MPLAB IDE v8
          • Переход с Atmel Studio
        • Конфигурация
        • Плагины
        • Пользовательский интерфейс
        • Проектов
        • Файлы
        • Редактор
          • Редактор
          • Интерфейс и ярлыки
          • Основные задачи
          • Внешний вид
          • Динамическая обратная связь
          • Навигация
          • Поиск, замена и рефакторинг
          • Инструменты повышения производительности
            • Инструменты повышения производительности
            • Автоматическое форматирование кода
            • Список задач
            • Сравнение файлов (diff)
            • Создать документацию
        • Управление окнами
        • Сочетания клавиш
        • Отладка
        • Контроль версий
        • Автоматика
          • Язык управления стимулами (SCL)

          Отладчик командной строки

          • (MDB)
          • Создание сценариев IDE с помощью Groovy
        • Устранение неполадок
        • Работа вне MPLAB X IDE
        • Другие ресурсы
      • Улучшенная версия MPLAB Xpress
      • MPLAB Xpress
      • MPLAB IPE
      • Программирование на C
      • Компиляторы MPLAB® XC
        • Начните здесь
        • Компилятор MPLAB® XC8
        • Компилятор MPLAB XC16
        • Компилятор MPLAB XC32
        • Компилятор MPLAB XC32 ++

        Кодовое покрытие

        • MPLAB
      • Компилятор IAR C / C ++
      • Конфигуратор кода MPLAB (MCC)
      • MPLAB Harmony версии 2
      • Гармония MPLAB v3
      • Atmel® Studio IDE
      • Atmel START (ASF4)
      • Advanced Software Framework v3 (ASF3)
        • Начните здесь
        • ASF3 Учебники
          • ASF Audio Sine Tone Учебное пособие

          Интерфейсный ЖК-дисплей

          • с SAM L22 MCU Учебное пособие
      • Блоки устройств MPLAB® для Simulink®
      • Утилиты

      Инструменты проектирования

      • FPGA
      • Аналоговый симулятор MPLAB® Mindi ™
    • Аппаратные средства
      • Начните здесь
      • Сравнение аппаратных средств
      • Средства отладки и память устройства
      • Исполнительный отладчик
      • Демо-платы и стартовые наборы
      • Внутрисхемный эмулятор MPLAB® REAL ICE ™
      • Эмулятор SAM-ICE JTAG

      Внутрисхемный эмулятор

      • Atmel® ICE
      • Power Debugger
      • MPLAB® ICD 3 Внутрисхемный отладчик
      • MPLAB® ICD 4 внутрисхемный отладчик
      • PICkit ™ 3 Внутрисхемный отладчик
      • Внутрисхемный отладчик MPLAB® PICkit ™ 4
      • MPLAB® Snap
      • MPLAB PM3 Универсальный программатор устройств
      • Принадлежности
        • Заголовки эмуляции и пакеты расширения эмуляции
        • Пакеты расширения процессора и отладочные заголовки
          • Начните здесь
          • PEPs и обзор заголовков отладки
          • Требуемый список заголовков отладки
            • Таблица требуемых отладочных заголовков
            • AC162050, AC162058
            • AC162052, AC162055, AC162056, AC162057
            • AC162053, AC162054
            • AC162059, AC162070, AC162096
            • AC162060
            • AC162061
            • AC162066
            • AC162083
            • AC244023, AC244024
            • AC244028
            • AC244045
            • AC244051, AC244052, AC244061
            • AC244062
          • Дополнительный список заголовков отладки
            • Дополнительный список заголовков отладки — устройства PIC12 / 16
            • Необязательный список заголовков отладки — устройства PIC18
            • Дополнительный список заголовков отладки — устройства PIC24
          • Целевые следы заголовка отладки
          • Подключения заголовка отладки
      • SEGGER J-Link

      Решения для сетевых инструментов

      • K2L
      • Рекомендации по проектированию средств разработки
      • Ограничения отладки — микроконтроллеры PIC
      • Инженерно-технические примечания (ETN) [[li]] Встроенные платформы chipKIT ™
  • Проектов
    • Начните здесь
    • Преобразование мощности
      • AN2039 Четырехканальный силовой секвенсор PIC16F1XXX
    • 8-битные микроконтроллеры PIC®
    • 8-битные микроконтроллеры AVR®
    • 16-битные микроконтроллеры PIC®
    • 32-битные микроконтроллеры SAM
    • 32-разрядные микропроцессоры SAM
      • Разработка приложений SAM MPU с помощью MPLAB X IDE

      Примеры пакетов программного обеспечения

      • SAM MPU
    • Запланировано дополнительное содержание…
  • Продукты
    • 8-битные микроконтроллеры PIC
    • 8-битные микроконтроллеры AVR
      • Начните здесь
      • 8-битная структура микроконтроллера AVR®
      • 8-битные периферийные устройства AVR®
        • Осциллятор
        • USART
        • прерываний
        • аналоговый компаратор и опорное напряжение
        • Таймер / Счетчики
        • Внутренний датчик температуры
        • Работа с низким энергопотреблением
        • Сбросить источники
      • Начало работы с микроконтроллерами AVR®

  Простой синтез: Часть 6, Широтно-импульсная модуляция

  Опубликовано 22 мая 2015 г. Эмметом Корманом и подано в Блог, Простой синтез, Учебные пособия.

  Генераторы — это гораздо больше, чем простая выходная частота. Общие генераторы обычно выводят только несколько основных сигналов, но есть несколько способов расширить вашу звуковую палитру.

  Один из способов называется широтно-импульсной модуляцией, также известной как «ШИМ». В то время как прямоугольная волна имеет одинаковое время между максимальным напряжением и минимальным напряжением, пульсовая волна по существу представляет собой прямоугольную волну с регулируемым промежутком времени между каждым циклом, прежде чем напряжение упадет с максимума до минимума.Процент времени, в течение которого сигнал является высоким, известен как рабочий цикл .

  Генераторы с импульсными выходами обычно имеют ручку для установки ширины импульса и часто вход модуляции со специальной ручкой аттенюатора. Когда источник напряжения, такой как LFO, подключен к входу PWM CV, ширина импульса волны будет удлиняться и укорачиваться в соответствии со значением напряжения LFO, создавая эффект фазировки. Поворот ручки аттенюатора PWM CV вверх увеличивает диапазон модуляции, в то время как изменение частоты LFO изменяет скорость эффекта PWM.Эта форма звука ШИМ может быть очень полезна для имитации звуков струн.

  Для создания монофонического струнного пэда необходимо иметь как минимум 2 VCO. Подключите выходы импульсных волн ваших VCO к микшеру и определите их частоты. Вы можете установить два генератора на одну и ту же частоту, но немного расстроить один из них, чтобы создать другой вид эффекта фазировки. Третий осциллятор может быть настроен на октаву ниже или в гармонии с другими осцилляторами. Теперь подключите выходы одного или нескольких синусоидальных или треугольных выходов LFO к входам PWM CV каждого VCO — несколько LFO могут быть настроены на разные частоты.Чтобы закончить патч, установите значения затухания ШИМ и отрегулируйте настройки фильтра и огибающую амплитуды по своему вкусу.

  Есть много других способов модуляции ширины импульса, попробуйте подключить генератор огибающей к входу PWM CV и посмотрите, что произойдет.

  .