Изучаване на модулация на ширината на импулса
Работни страници
Съдържанието на произведението
Лаборатория #4
1. Научете как да приемате сигнали с широчинно-импулсна модулация
2. Научете как да възстановявате постоянно напрежение от импулсно модулирани сигнали
3. Запознайте се с някои примери за използване на ШИМ сигнали
4. Запознайте се със симулацията в средата на B2 Spice Workshop на поведението на вериги в честотната област
Импулсен периодичен сигнал (Фигура 1) има редица характеристики:
- амплитуда на импулса;
- период (и неговата реципрочна - честота);
- продължителност на импулса;
- фаза (изменение на импулса спрямо началото на периода).
Вариацията на всички тези характеристики може да се използва при обработката на измервателни сигнали, както и за предаване на данни. Те говорят за:
- амплитудна модулация, ако амплитудата на импулсите е пропорционална на големината на входния сигнал;
- честотна модулация, ако честотата на повторение на импулса е пропорционална на стойността на входния сигнал;
- широчинно-импулсна модулация, ако продължителността на импулсите е пропорционална на стойността на входния сигнал;
- фазова модулация, ако фазата на импулсите е пропорционална на големината на входния сигнал.
Фигура 1. Характеристики на импулсни периодични сигнали
1. Генериране на PWM сигнал
Методът за генериране на сигнал с широчинно-импулсна модулация (PWM сигнал) се основава на същата идея като в ADC с преобразуващ тип: преобразуван постоянен сигнал се прилага към положителния вход на компаратора, а сигнал, който се променя линейно във времето, се подава към отрицателния вход (Фигура 2). сравнителенустройството извежда сигнал за логическа нула, ако референтният сигнал за рампа е по-голям от преобразувания, и обратно.
Очевидно времето, изминало от момента, в който линейно променящият се сигнал премине през нулата и до задействането на устройството за сравнение, ще бъде право пропорционално на стойността на преобразувания сигнал и обратно пропорционално на наклона на референтния сигнал.
Фигура 2. Преобразуване на постоянен сигнал във времеви интервал
На практика като устройство за сравнение се използва компаратор на напрежение, на чиито входове се подава преобразувано напрежение и сигнал от изхода на генератор на триъгълни или зъбни импулси (Фигура 3).
Фигура 3. Преобразуване на постоянно напрежение в PWM сигнал
Широчинно-импулсната модулация (по своята същност - преобразуване напрежение-време) може да се използва като междинна стъпка при прехода от аналогови към цифрови стойности. Продължителността на интервал от време може лесно да бъде измерена чрез преброяване на броя импулси на напрежение със стабилна референтна честота, които са преминали през този интервал. Това може да се направи с помощта на брояч, чийто вход за броене получава импулси с референтна честота, а входът за разделителна способност за броене получава измерения импулс (Фигура 4). В този случай на изхода на брояча веднага се получава цифров код N, пропорционален на измереното напрежение.
Фигура 4. Преобразуване на времеви интервал в код
В момента PWM рядко се използва за целите на аналогово-цифровото преобразуване. Това е обяснено:
- ниска устойчивост на шум на описания метод за преобразуване напрежение-време (краткотрайни смущения, индуцирани върху преобразувания или референтен сигнал, могат значително да изкривят продължителността на импулса);
-относително ниска скорост;
- сложността на изграждането на висококачествен референтен генератор на рампи на сигнала;
- наличието на пазара на голям избор от готови евтини ADC микросхеми, базирани на други принципи.
Въпреки това, PWM може да се използва там, където няма високи изисквания за точност и например е необходимо да се извърши галванична изолация на източника на сигнала и приемника. В този случай от страната на източника на сигнала се поставят прост триъгълен или зъбен генератор на напрежение и компаратор. Изходът на компаратора (сигнал PWM) управлява светодиода на оптрона, а приемащата част на оптрона е включена от страната на приемника на сигнала (Фигура 5). Този подход често се използва за организиране на обратна връзка в мрежови импулсни захранвания.
Фигура 5. Галванична изолация на аналогови сигнали с помощта на ШИМ. Веригите, разположени отляво и отдясно на оптрона DA2, не са галванично свързани
Фигура 6 показва схемата за генериране на PWM сигнал (файл PWM001.ckt). Източникът на напрежение V1 е трионообразен генератор на напрежение, източникът V3 е източник на постоянно напрежение, източникът V2 захранва компаратора DA1 MAX907 (вижте MAX907-MAX909.pdf за пълната техническа документация на MAX907).
Фигура 6. Регулатор на PWM сигнала
1. В какъв диапазон от входни напрежения V3 може да работи тази схема? Какви промени трябва да се направят във веригата, така че да може да се използва за преобразуване на напрежение в диапазона от -1 до +1 V?
2. Покажете, че триъгълните и зъбните генератори на напрежение могат да се използват с еднакъв успех. Какви са разликите между сигналите, формирани по два начина?
3. Симулиране на работатавериги във времевата област при няколко различни стойности на V3, начертайте диаграмата на ширината на изходния импулс (работен цикъл) спрямо входното постоянно напрежение.
4. Симулирайте операцията за случая, когато V3 е сумата от DC компонент от 0,1 V и синус с амплитуда 50 mV при честота 125 kHz. Обяснете вашите резултати.
2. Възстановяване на оригиналния сигнал от PWM сигнал
Както вече беше споменато, едно от приложенията на широчинно-импулсната модулация е преходът от напрежение към продължителност на импулса, за да се измери тази продължителност цифрово. Но в случай, че PWM се използва само за предаване на информация за величината на напрежението, става необходимо да се възстанови напрежението от PWM сигнала.
Най-простият начин е да се приложи широчинно-импулсно модулирано напрежение към нискочестотния филтър. Когато на входа на нискочестотния филтър се подаде периодичен сигнал с период, на изхода му ще присъства постоянната компонента на такъв сигнал:
(1)
Ако е PWM сигнал с амплитуда и продължителност на импулса, тогава:
(2)
По този начин той е право пропорционален на работния цикъл (отношението на продължителността на импулса към периода). Въпреки това, поради факта, че реалният LPF частично пропуска високочестотните компоненти на PWM сигнала, ще има и вълни на изхода на филтъра (Фигура 7).
Най-простият LPF е RC верига (Фигура 8, файл PWM002.ckt). Характеризира се с времева константа и гранична честота. Изглежда, че за да се подобри потискането на високочестотните компоненти на PWM сигнала, е достатъчно да се намали граничната честота на такъв нискочестотен филтър, т.е. да се увеличи времевата константа. Такова решение обаче дава само леко намаляване на пулсациите, за коетода плати със значително увеличение на преходните процеси, когато работният цикъл на сигнала се промени. (За нискочестотен филтър от 1-ви порядък стъпковият отговор достига 95% от крайната стойност за приблизително , 99% за , 99,9% за , 99,99% за ).
Фигура 7. Филтриране на ШИМ сигнал с идеален и реален нискочестотен филтър
Фигура 8. Използване на изолация на DC компонента на PWM сигнала
LPF от първи ред
Може да е по-ефективно да се използват филтри със същата гранична честота, но с по-висок порядък. В сравнение с нискочестотен филтър от 1-ви ред, тези филтри имат по-стръмно намаляване на честотната характеристика, което означава, че осигуряват по-добро потискане на високите честоти. В този случай времето на преходния процес с промяна в работния цикъл на PWM сигнала се увеличава леко. Фигура 9 показва схема, използваща активен нискочестотен филтър на Butterworth от 3-ти ред, реализиран на базата на операционни усилватели (файл PWM003.ckt). Източникът на напрежение V1 е източник на ШИМ сигнала, а източниците V2 и V3 се използват за захранване на операционните усилватели на активния филтър. (Вижте mcp604.pdf за пълна техническа документация за операционния усилвател MCP604).