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

Область применения

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы ШИМ контроллера

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

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

Аналоговая ШИМ

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

Цифровая ШИМ

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

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

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

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

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

Пример использования ШИМ регулятора

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

Читайте так же

ШИМ или в английском PWM (Pulse-Width Modulation) широтно-импульсная модуляция - способ используемый для контроля величины напряжения и тока. Принцип действия ШИМ состоит в изменении ширины импульса постоянной амплитуды при постоянной частоте.

Принципы ШИМ регулирования получили широкое распространение в импульсных преобразователях, в , яркостью свечения светодиодов и т.п.

Принцип действия ШИМ

Принцип действия состоит в изменении ширины импульса сигнала. При использовании способа широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда будут всегда постоянными. Важнейшим параметром сигнала ШИМ считают коэффициент заполнения, который можно вычислить по формуле.

где T = T ON + T OFF ; T ON - время высокого уровня; TOFF - время низкого уровня; T - период сигнала

Время высокого уровня и низкого уровня сигнала показано на рисунке выше. Остается добавить, то что U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть амплитуда.

Допустим у нас имеется ШИМ сигнал с заданным временным интервалом высокого и низкого уровня, смотри рисунок:

Подставив в формулу коэффициента заполнения ШИМ имеющиеся данные получим: 300/800=0,375. Для того чтобы узнать процентный коэффициент заполнения требуется результат умножить еще на 100%, т.е К ω% = 37,5% . Коэффициент заполнения это абстрактное значение.

Еще одним важнейшим параметром ШИМ считается также частота сигнала, которая определяется по известной формуле:

f=1/T=1/0,8=1,25 Гц

Благодаря возможности настройки ширины импульса можно регулировать среднее значение напряжения. На рисунке приведены различные коэффициенты заполнения при одной и той же частоте и амплитуды.

Для нахождения среднего значения напряжения ШИМ требуется коэффициент заполнения 37,5% и амплитуда 12 В:

U sr =К ω ×U 1 =0,375×12=4,5 Вольта

ШИМ позволяет понижать напряжение в интервале от U 1 и до 0. Это свойство часто используется в , или скорости вращения вала двигателя постоянного тока.

Сигнал ШИМ в электронике формируют с помощью микроконтроллера или какой-либо аналоговой схемой. Сигнал от них должен быть низкого уровня напряжения и очень малым током на выходе схемы. В случае если необходимо управление мощной нагрузкой, можно использовать типовую систему управления, с помощью биполярного или .

Сигнал ШИМ следует на базу транзистора через сопротивление R1, поэтому VT1 с изменением сигнала то открывается, то запирается. Если транзистор открыт, светодиод горит. А в момент времени, когда транзистор запирается, и светодиод тухнет. Если частота сигнала мала, то получим мигающий светодиод. При частоте от 50 Гц мигания уже не незаметны человеческим глазом, и мы видим эффект снижения яркости свечения. Чем ниже значение коэффициента заполнения, тем слабее будет гореть светодиод.

Этот же принцип и похожую электронную схему можно применить и в случае управления двигателем постоянного тока, но частота должна быть на порядок выше (15-20 кГц) по двум основным причинам.

При более низких частотах двигатель может издавать ужасный писк, вызывающий раздражение.
Ну и от частоты зависит стабильность работы двигателя. При управлении низкочастотным сигналом с низким коэффициентом заполнения, обороты будут нестабильны и он может даже полностью остановиться. Поэтому, с ростом частоты сигнала ШИМ, растет стабильность среднего выходного напряжения и снижаются пульсации напряжения. Однако, есть предел по частоте, т.к при больших частотах полупроводниковый прибор может не успеть полностью переключиться, и схема управления будет работать с ошибками. Кроме того высокая частота ШИМ сигнала также увеличивает потери на транзисторе. Управляя двигателем на высоких частотах желательно использовать быстродействующий полупроводник с низким сопротивлением проводимости.

Ниже рассмотрим реальную рабочую схему на операционном усилителе

Регулируя величину напряжения на неинвертирующем входе ОУ можно задаватьтребуюмую величину выходного напряжения. Поэтому, эту схему можно использовать в роли регулятора тока или напряжения или в роли регулятора оборотов двигателя постоянного тока.

Схема проста и надежна, состоит из доступных радиоэлементов и при правильной сборке сразу начнет работать. В роли управляющего ключа взят мощный полевой n- канальный транзистор.

Широтно-импульсная модуляция состоит в изменении ширины (длительности) импульсов, следующих друг за другом с постоянной частотой. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) действительным бинарным (с двумя уровнями - вкл/выкл), так что в среднем, за отрезок времени, их значения равны. Основным регулирующим фактором выступает относительная длительность импульсов или коэффициент заполнения

где Т – период следования импульсов. При односторонней ШИМ, опорное напряжение представляет собой периодические пилообразные колебания. В этом случае модуляция осуществляется изменением положения только одного фронта импульса. Для двусторонней ШИМ, требуется треугольное (желательно равностороннее) опорное напряжение. Двусторонняя ШИМ, обладает более высоким быстродействием, чем односторонняя, поэтому ее применяют чаще. Если входной сигнал – биполярный, то должны меняться полярность и среднее значение выходного напряжения. При этом возможны два типа модуляции разнополярная ШИМ и однополярная ШИМ.

1. Формулировка задания

В данной курсовой работе разрабатывается широтно-импульсный модулятор со следующими параметрами:

Таблица 1. Содержание задания

2. Разработка функциональной схемы устройства

Рассмотрим функциональную схему и принцип работы устройства.

Рисунок 1 – Функциональная схема

Генератор прямоугольных импульсов необходим для образования импульсов на следующем блоке – ГЛИНе.

Исходя из задания, определяем, что в качестве опорного напряжения должны быть «треугольники». На выходе ГЛИНа имеем треугольные импульсы, которые являются тем самым опорным напряжением, подаваемым на компаратор.

Компаратор устройство, на отрицательный вход которого подаётся опорный сигнал в виде треугольников, а на положительный − модулируемый непрерывный аналоговый сигнал.

По заданию, модулируемым сигналом является синусоида с частотой 200Гц.

Так же согласно заданию, амплитуда выходных сигналов, должна быть 10В. Нужную амплитуду обеспечивает электронный ключ.

3. Функциональные блоки

3.1 Генератор прямоугольных импульсов

Кварцевый генератор - генератор колебаний, синтезируемых кварцевым резонатором, входящим в состав генератора. Обычно обладает небольшой выходной мощностью.

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Используем Генератор Пирса. В схеме используется минимум компонентов: один цифровой инвертор, один резистор, два конденсатора и кристалл кварца, который действует как высокоизбирательный элемент фильтра.

Генератор с RC частотно-задающей цепью, принцип его работы основан на процессе зарядки-разрядки конденсатора С через резистор R. Через этот резистор осуществляется ООС по постоянному току, а через конденсатор-ПОС по переменному.

Второй инвертор в схеме генератора предназначен для уменьшения длительности фронтов формируемого прямоугольного колебания. Это необходимо для уменьшения влияния последующей схемы на стабильность колебаний задающего генератора, а также для более надёжной работы цифровых счётчиков делителя частоты.

Рисунок 2 – Блок 1. Генератор прямоугольных напряжений

Схема делителя частоты до значения нужной частоты. Для реализации делителя потребуется микросхема 561ИЕ16.

3.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения

Этот блок представляет собой генератор треугольного напряжения. В настоящее время генераторы с малым коэффициентом нелинейности (ε<0,0) и слабым влиянием нагрузки на форму выходного напряжения создаются с использованием операционных усилителей.

В частности, распространены генераторы на основе интегратора, управляемого входным импульсом напряжения прямоугольной формы. Элементами схемы являются источник питания, зарядный резистор R 6 , конденсатор С3 и разрядный транзистор VT1. Выходное напряжение генератора представляет собой, усиленное операционным усилителем, напряжение на конденсаторе. ОУ охвачен отрицательной (R 5 и R 9) и положительной (резистор R 10) обратными связями.

Рисунок 3 – ГЛИН

Генератор работает следующим образом. В момент, когда полевой транзистор VT1 закрыт, происходит заряд конденсатора С3 через резисторы R10 и R7. Как только мы подаем импульс на VT1, происходит разряд конденсатора этот полевой транзистор.

3.3 Компаратор

Данный блок представляет собой компаратор, суть работы которого заключается в сравнении двух входящих сигналов, и получении на выходе импульсов различной длительности. На отрицательный вход подаётся опорный сигнал, т.е. «треугольные импульсы», а на положительный - сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте треугольных импульсов. Ту часть периода, которую входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже - нуль.

Рисунок 4 - Компаратор

3.4 Электронный ключ

Для получения на выходе импульсов нужной амплитуды используем транзистор VT2 и элемент «И-НЕ» DD5. Резистор R13 ограничивает ток на вход базы транзистора. Резистор R15 является нагрузкой.

Рисунок 5 – Схема электронного ключа

4. Расчётная часть и выбор элементов схемы

4.1 Расчет генератора импульсов

На рисунке 6 показан генератор, со стоящий из активного элемента – инвертора – и пассивного элемента – кварцевого резонатора.

Рисунок 6 – Кварцевый генератор

Вместо одного инвертора можно поставить любое нечетное количество инверторов.

Рисунок 7 – Эквивалентная схема замещения

Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рисунке 7.

Генератор Пирса – одна из наиболее популярных схем. Она является основой практически всех генераторов на одном вентиле. Кварц ведет себя как большая индуктивность, так как он подключен параллельно. Роль нагрузки на выход резонатора играют конденсаторы C1 и C2. Конденсаторы C1 и C2 играют роль нагрузочной емкости кварцевого резонатора.

В качестве резонатора выбираем кварцевый резонатор: KX-49 номинальная частота которого - 2.4576 МГц. В таблице 2 приведены параметры кварцевого резонатора.

Таблица 2 Параметры KX-49

С L	R 1	C 0	F
30пФ	200 Ом	7пФ	2,4576 МГц

Резистор R1 предназначен для автоматического запуска генератора при включении питания. Этот же элемент определяет коэффициент усиления инвертора, и чем больше будет этот коэффициент усиления, тем более прямоугольные колебания будут формироваться на его выходе, а это, в свою очередь, приведёт к снижению тока, потребляемого кварцевым генератором. Выберем номинал резистора R1 равным 1Мом.

Резистор R2 увеличивает импеданс цепи, с тем чтобы вместе с конденсатором C2 увеличить фазовый сдвиг. Это нужно для того, чтобы генератор заработал на нужной, а не на большей частоте. Резистор также изолирует выход инвертора от цепи резонатора и этим сохраняет прямоугольную форму импульса. Номинал резистора должен быть примерно равен импедансу нагрузки Z L , который можно вычислить по приведенной формуле:

Импульсы с частотой f=2,4576 МГц поступают на счетчик ИЕ16, с Q7 выхода счетчика получаем импульсы с частотой f/ 256=9.6 кГц.

4.2 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения

В качестве генератора линейно изменяющегося напряжения выбирается схема на рисунке 5.

Рассматриваемый ГЛИН выполнен на базе интегратора напряжения (DD2, RC- цепь, источник питания U1), управляемого генератором прямоугольных импульсов и источника питания U1. Когда транзистор закрыт, через него протекает неуправляемый (начальный) ток стока. При открытом транзисторе ток через транзистор должен определяться величиной сопротивления нагрузки и напряжением питания.

Когда линейно изменяющееся напряжение Uc(t) на выходе интегратора достигнет значения напряжения срабатывания, происходит подача сигнала управления, под действием которого ключевой транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор. Далее процесс повторяется с периодом:

Задаемся частотой раной 9,6 кГц.

Напряжение Ucm целесообразно выбирать минимальным, чтобы исключить влияние разброса параметров используемых резисторов на коэффициент нелинейности формируемого напряжения.

Максимальное напряжение на конденсаторе связано с длительностью зависимостью

t

Выбираем U1 = 5В, U2=0В, тогда Ucm = 5В.

Выбираем R 6 = R 5 = 10 кОм,тогда С 3 = 96нФ.

Исходя из следующего, найдем R9.

Uвых = 10 В, тогда:R 9 = Ucmax*R 6 / Uвых = 5*10000/10≈ 2 кОм, берем ближайшее по номиналу

R 9 = R 10 =2 кОм

В качестве ОУ DD3 выбран 140УД7. Питание ±10В.

4.3 Выбор компаратора

В качестве компаратора DD4 используется 521СА3 для обеспечения стабильной работы ШИМ.

Технические характеристики аналогового компаратора 521СА3

Аналог LM111

Входной ток не более 100 нА

Коэффициент усиления не менее 200000

Ток нагрузки до 50 мА

Питание +5...+30 или ±3...±15 В

Области применения

Детекторы пересечения нуля

Детекторы перенапряжений

Широтно-импульсные модуляторы

Прецизионные выпрямители

Аналого-цифровые преобразователи

Резистор R12 в сочетании с диодами D1 и D2 ограничивает размах входного сигнала. Благодаря диодам в ограничиваем размах входного напряжения значениями -12,6 В до +12,6 В, условие состоит в том, что отрицательное входное напряжение не должно достигать значения напряжения пробоя (например, для диода типа КД510А это значение составляет - 50 В).

Таблица 3 Параметры выбранного транзистора

Наимен.	U обр. ,В	I пр. max, A	I обр. max, мкА	F d max, кГц
КД510А	50	0.2	5	200000

4.4 Расчет электронного ключа

В качестве ключа выбирается следующая схема:

Рисунок 9 – Схема электронного ключа

Rн =0,5 к Ом, Uвых =10В.

Iк=Uвых/Rн=10/500=50mА

По справочнику ищем транзистор, который выдержит заданный ток коллектора (0,05А). Транзистор КТ315А держит постоянный ток до 0,1 А.

Из справочника - h21э, для КТ315А

Считаем базовый ток Iб=Ik/h21э=0.05/30≈ 1,67 mA, на базу надо подводить ток не ниже 167 мкА.

R14 – согласующее сопротивление между компаратором DD3 и транзистором VT2. Выберем R16 = 200 Ом.

R вых =R 15 =500 Ом по заданию, из ряда выбираем 510 Ом. на выходе необходимо получить 10 В, тогда рассчитаем величину резистора R 14

(U пит -U вых)/R 14 =U вых /R 15 ,

откуда R 14 =2R 15 /10=102 Ом, из стандартного ряда выбираем номинал 100 Ом. Рассеиваемая мощность 10В*1.25mA≈0,0125 Вт

Таблица 4. Параметры выбранного транзистора КТ315А

5. Моделирование схемы

Выходной сигнал с генератор треугольных импульсов:

Выходной сигнал с генератора прямоугольных импульсов:

Моделируемый сигнал:

Процесс модуляции:

Период выходного сигнала:

Наименьшая длительность импульса:

Длительность должна быть равна 5,12 мкс. По графику видно, что она составляет 5,56мкс.

Наибольшая длительность импульса:

Длительность импульса должна составлять 97,37мкс. По графику видно, что она равна 97,74 мкс.

Заключение

В данной курсовой работе разработали принципиальную схему и произвели расчет схемы Широтно-Импульсного модулятора. На вход устройства ШИМ подается синусоида с частотой согласно заданию – 200 Гц, на выходе имеем преобразованный ШИМ сигнал, амплитуда которого 10 В. Диапазон изменения относительной длительности выходных импульсов данного ШИМ составляет – 0.05 ÷ 0.95. Разработанный широтно-импульсный модулятор является достаточно простым. Моделирование схемы производили с помощью пакета CircuitMaker.

Список использованной литературы

1. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Кварцевые резонаторы: справочное пособие. М.:Радио и связь, 1984.-232с., ил.

2. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. шестое. М.: Мир, 2001.

3. Лекционный курс по ЭЦиМС (преподаватель Андреев И.Б.).

4. Цифровые КМОП микросхемы, справочник, Партала О.Н. – СПб: Наука и техника, 2001. - 400 стр. с ил.

5. Л. Лабутин, Кварцевые резонаторы. - Радио, 1975, №3.

6. Генераторы прямоугольных импульсов на микросхемах КМОП. В. Стрижов,Схемотехника, 2000, № 2, стр. 28

7. Забродин Ю.С., Промышленная электроника: учебник для вузов. - М.: Высш. Школа, 1982. – 496с., ил.

При ШИМ по знаку аналогового моделирующего сигнала b(t) (рисунок А) изменяется ширина (длительность импульсов (в)) поднесущей при постоянстве их амплитуды и частоты следования.

ШИМ иногда называют длительная импульсная модуляция ДИМ.

Различают ОДНО- и ДВУХСТОРОННЮЮ ШИМ.

При односторонней ШИМ изменение ширины импульса происходит лишь благодаря смещению среза импульса (ШИМ-1) (рисунок Б)

А при двухсторонней срезу и фронту импульса ШИМ-2(Рисунок Г)

Наиболее широко применяется ШИМ-1

И будем пологать, что моделирующий сигнал

изменяется по гармоническому закону, по которому

ширина импульсов равна:

Где
-девиация длительности импульсов

Подставляя это значение в предыдущее

выражение получим спектральный сигнал ШИМ сигнала.

Модулятор сигналов с ШИМ удобнее всего выполнять на интегральных микросхемах (ИМС)

На вход 2 подаётся импульсная поднесущая

На вход 5 – аналоговый моделирующий сигнал b(t)

Демодулятор ШИМ чаще всего бывают ФНЧ

27. Фазо-импульсная модуляция. Модуляторы фим сигналов.

При ФИМ по закону моделируемого аналогового сигнала b(t) изменяется только временное положение видеоимпульсов поднесущей, а их амплитуда и длительность остаются неизменной.

Если продифференцировать по времени сигнал ШИМ, то получаются положительные и отрицательные импульсы.

Положительный импульс соответствует фронту сигнала ШИМ, а отрицательный его срезу.

При односторонней ШИМ положительные импульсы неподвижны, а отрицательные смещаются пропорционально моделирующему сигналу b(t) по оси времени.

Неподвижные импульсы могут быть устранены с помощью однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой, а оставшиеся импульсы представляют собой ФИМ сигналы.

Модулятор ФИМ сигналов в этом случае состоит из модулятора ШИМ к выходу которого подключено дифференцирующее устройство ДУ и однополупериодный выпрямитель ОВ. (см. рисунок)

Аналитическое выражение ФИМ сигнала имеет вид:

- амплитуда импульса

-функция, описывающая огибающую измерительного импульса.

- довиацию временного положения измерительного импульса

-значение передаваемого сообщения в момент времени

Частотный спектр ФИМ сигналов аналитически трудно представить

Приближённое значение для амплитуды передаваемого гармонического сигнала в спектре ФИМ равно:

Где
- частота сообщения

- длительность импульсов

Амплитуда передаваемого сигнала в спектре ФИМ очень мала (намного меньше, чем в спектрах АИМ и ШИМ и является функцией моделирующей частоты
, т.е искажена).

Поэтому демодуляция сигналов ФИМ с помощью ФНЧ непосредственно невозможно.

Их преобразуют в сигналы АИМ или ШИМ.

28. Частотно-импульсная модуляция. Детекторы чим сигналов.

Детектор может быть выполнен по схеме

Где Ф -канальный фильтр; АО -амплитудный ограничитель; ДЦ -дифф. цепь; ДВ -двухполупериодный выпрямитель с активной нагрузкой; ОВ -одновибратор; Д -детектор с удвоением напряжения; ФНЧ -фильтр нижних частот.

Работа детектора поясняется с помощью временных диаграмм.

Пройдя узкополосные цепи канала связи, ЧИМ-сигнал становится похожим на аналоговый ЧМ-сигнал. Блоком АО он глубоко ограничен по амплитуде с двух сторон так, что на его выходе имеют место одинаковые прямоугольные импульсы разной частоты следования и длительности. В блоке ДЦ эти импульсы дифференцируются по времени, в результате чего на его выходе UДЦ (t) представляет собой фронты и срезы. Последние представляют собой очень узкие разнополярные импульсы, которые в блоке ДВ преобразуются в однополярные Uдв(t) , увеличивая тем самым частоту следования в два раза. В блоке ОВ формируются одинаковые импульсы прямоугольной формы одной длительности, но разной частоты следования, которые поступают на вход блока Д. Принципиальная схема блока Д:

На выходе схемы имеет место переданный аналоговый сигнал Uд(t). В некоторых случаях блок ОВ исключают. Высокая стабильность параметров данного детектора обусловили широкое применение его даже для аналоговых ЧМ-сигналов.

-Почему в кинотеатрах так медленно гаснет свет?
-Потому, что киномеханик очень медленно вынимает вилку из розетки.

Знакомимся с широтно-импульсной модуляцией.

Ранее мы научились с помощью изменения состояния порта GPIO управлять светодиодом. Мы научились управлять длительностью и частотой импульсов, благодаря чему получили различные световые эффекты. Убедились в том, что если изменять состояние порта со звуковой частотой, то можно получать различные
звуки, освоили частотную модуляцию…

А что получится, если мы будем изменять уровень порта со звуковой частотой, но вместо динамика подключим нашего старого подопытного друга - светодиод?

Проведите эксперимент. Измените нашу программу blink.c так, чтобы светодиод загорался и гас 200 раз в секунду, с частотой 200 Гц. Для этого достаточно изменить параметры функции delay(). Чтобы узнать, какие задержки нужно ввести, достаточно рассчитать период колебания Т. Т=1/f . А т.к. f у нас равна 200Гц, то Т=1/200=0,005 секунды, или 5 миллисекунд. Вот за эти 5 миллисекунд мы должны успеть включить светодиод и выключить его 1 раз. Так, как 5 на 2 не делится нацело, примем время свечения светодиода в 2 мС, а время несвечения в 3мС. 2+3=5, т.е. полный период одного колебания так и останется 5мС. Теперь изменим программу: заменим delay(500), на delay(2) и delay(3) для горящего и не горящего
светодиода соответственно.

Скомпилируем программу и запустим. Если у вас всё ещё в схеме установлен динамик, то вы услышите низкий звук, а если динамик заменить светодиодом, то вы увидите непрерывно горящий светодиод. На самом деле светодиод конечно моргает, но делает он это на столько быстро, что глаз уже не замечает это моргание и воспринимает
его как непрерывное свечение. Но светит диод вроде бы не так ярко, как он у нас горел раньше. Можете для сравнения запустить нашу самую первую программу, где светодиод горел постоянно, и сравнить яркость светодиода в обоих случаях. Давайте разберёмся, почему так происходит и как это можно использовать.

Помните, в самой первой части мы рассчитывали токоограничивающий резистор для питания светодиода? Мы знаем, что у светодиода есть рабочий ток, при котором он светится наиболее ярко. Если этот ток уменьшать, то яркость светодиода будет тоже уменьшаться. А когда мы начинаем быстро включать и выключать светодиод, то
его яркость свечения становится зависимой от среднего тока (Iср) за период колебания. Для импульсного (П-образного) сигнала, который мы генерируем на выходе порта GPIO, средний ток будет пропорционален отношению t1 к t2. А именно: Iср=Iн x t1/t2, где Iн- номинальный ток светодиода, который мы благодаря резистору установили в 10мА. При номинальном токе светодиод светится наиболее ярко. А в нашем случае Iср=10 х 2/3 = 6,7мА. Мы видим, что ток стал меньше, поэтому и светодиод стал гореть менее ярко. В этой формуле отношение t1/t2 называется коэффициентом заполнения импульса D.

Чем этот коэффициент больше, тем больше будет среднее значение тока. Мы можем изменять этот коэффициент от 0 до 1, или от 0% до 100%. А значит, мы можем и менять средний ток в этих пределах. Получается, что таким способом мы можем регулировать яркость светодиода от максимальной, до полностью выключенного! И хотя напряжение на выводе нашего порта по-прежнему может быть лишь либо +3,3в, либо 0в, ток в нашей схеме может изменяться. И изменением этого тока мы легко можем управлять нашей Малинкой. Вот такой способ управления и называется Широтно-Импульсной модуляцией , или просто ШИМ . В английском языке это звучит как PWM , или Pulse-Width Modulation . ШИМ, это импульсный сигнал постоянной частоты с переменным коэффициентом заполнения. Используется и такое определение, как Импульсный сигнал постоянной частоты с переменной скважностью. Скважность S, это величина обратная коэффициенту заполнения и характеризует отношение периода импульса T к его длительности t1.
S=T/t1 = 1/D.

Ну а нам, для закрепления наших знаний, остаётся написать программку, которая будет плавно зажигать и гасить наш светодиод. Процесс изменения яркости свечения называется диммированием .

У меня получилось вот так:
dimmer.c
// Программа плавно изменяет яркость светодиода
// Светодиод подключён к порту Р1_03#include #define PIN RPI_GPIO_P1_03
int main()
{
if (!bcm2835_init()) return 1;

Bcm2835_gpio_fsel(PIN,BCM2835_GPIO_FSEL_OUTP);
//Устанавливаем порт Р1_03 на выводunsigned int t_on, t_off;
// t_on продолжительность включённого состояния= t1, а t_off- выключенного =t2

Int d = 100, i, j, flag=0; // d- коэффициент заполнения в процентах, i и j, вспомогательные переменные для организации циклов, flag- если =0 светодиод затухает, если =1 разгорается

Int a=10; // количество полных рабочих циклов
while (a)
{
for (j=100; j!=0; j--) //изменяем коэффициент заполнения от 100% до 0%
{
t_on=50*d; //находим t1
t_off=50*(100-d); //находим t2
if (flag==0) d=d-1; // если светодиод затухает, уменьшаем коэффициент заполнения
if (flag==1) d=d+1; // если светодиод разгорается, увеличиваем коэффициент заполнения

For (i=10; i!=0; i--) //передаём 10 импульсов на светодиод с рассчитанными параметрами t1 и t2
{
bcm2835_gpio_write(PIN, LOW);
delayMicroseconds(t_on);
bcm2835_gpio_write(PIN, HIGH);
delayMicroseconds(t_off);
}

If (d==0) flag=1; // если светодиод выключен, начинаем его включать
if (d==100) flag=0; // если светодиод достиг максимума свечения, начинаем его гасить
}

A--;
}
return (!bcm2835_close ()); // Выход из программы
}

Сохраняем программу под именем dimmer.c, компилируем и запускаем.

Как видите, теперь наш светодиод медленно гаснет и медленно разгорается. Вот так и работает ШИМ. Широтно-импульсная модуляция используется во многих областях. Это и управление яркостью свечения ламп и светодиодов, управление сервоприводами, регулирование напряжения в импульсных источниках питания (которые например, стоят в вашем компьютере), в цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях и т.д. К стати, если вернуться к нашей схеме с динамиком, то при помощи ШИМ можно управлять громкостью сигнала, а изменяя частоту- его тоном.

Помните старый анекдот из предисловия к этой части, о киномеханике, медленно вытягивающим вилку из розетки? Теперь то мы знаем, что этому киномеханику, чтобы плавно погасить свет, нужно наоборот очень быстро вставлять и вытаскивать вилку из розетки.

На этом мы и закончим данный урок. Остаётся лишь добавить, что ШИМ настолько часто используется в различных приложениях, что производители процессорного оборудования часто встраивают ШИМ-контроллер непосредственно в процессор. Т.е. вы процессору задаёте параметры требуемого вам сигнала, а процессор уже сам, без вашей помощи выдаёт нужный вам сигнал. При этом, нисколько не тратя программных ресурсов на генерацию этого сигнала. Bcm2835 тоже имеет встроенный аппаратный ШИМ. И этот ШИМ является альтернативной функцией порта GPIO 18, или P1-12. Чтобы воспользоваться аппаратными ШИМ мы должны установить порт P1-12 в режим ALT5 и задать процессору параметры. Но это уже совсем другая история…