Вивчення широтно-імпульсної модуляції
Сторінки роботи
зміст роботи
Лабораторна робота №4
1. Ознайомитися зі способами отримання сигналів із широтно-імпульсною модуляцією
2. Познайомитися зі способами відновлення постійної напруги із сигналів із широтно-імпульсною модуляцією
3. Ознайомитись з деякими прикладами застосування ШІМ-сигналів
4. Познайомитися з моделюванням у середовищі B2 Spice Workshop поведінки схем у частотній області
Імпульсний періодичний сигнал (рисунок 1) має низку характеристик:
- амплітуда імпульсу;
- Період (і зворотна йому величина - частота);
- тривалість імпульсу ;
- фаза (зсув імпульсу щодо початку періоду).
Варіювання всіх цих характеристик може бути використане для обробки вимірювальних сигналів, а також для передачі даних. Говорять про:
- амплітудної модуляції, якщо амплітуда імпульсів пропорційна величині вхідного сигналу;
- частотної модуляції, якщо частота проходження імпульсів пропорційна величині вхідного сигналу;
- широтно-імпульсної модуляції, якщо тривалість імпульсів пропорційна величині вхідного сигналу;
- фазової модуляції, якщо фаза імпульсів пропорційна до величини вхідного сигналу.
Рисунок 1. Характеристики імпульсних періодичних сигналів
1. Формування ШІМ-сигналу
В основі методу формування сигналу з широтно-імпульсною модуляцією (ШИМ-сигналу) використовується та ж ідея, що і в АЦП типу, що розгортає: на позитивний вхід пристрою порівняння подається перетворюваний постійний сигнал, на негативний вхід - лінійно змінюється в часі сигнал (рисунок 2) . Порівнюючепристрій видає сигнал логічного нуля, якщо опорний сигнал, що лінійно змінюється, більше перетворюваного, і навпаки.
Очевидно, що час , що пройшов від моменту переходу сигналу, що лінійно змінюється через нуль і до спрацьовування пристрою порівняння буде прямо пропорційно величині перетворюваного сигналу і назад пропорційно крутості нахилу опорного сигналу.
Рисунок 2. Перетворення постійного сигналу на часовий інтервал
На практиці як пристрій порівняння застосовується компаратор напруги, на входи якого подаються напруга, що перетворюється, і сигнал з виходу генератора трикутних або пилкоподібних імпульсів (рисунок 3).
Малюнок 3. Перетворення постійної напруги на сигнал з ШІМ
Широтно-імпульсна модуляція (за своєю суттю - перетворення напруга-час) може використовуватися як проміжний етап при переході від аналогових до цифрових величин. Тривалість часового проміжку легко виміряти, підрахувавши число імпульсів напруги стабільної опорної частоти, яке минуло цей проміжок. Зробити це можна за допомогою лічильника, на лічильний вхід якого надходять імпульси опорної частоти, а на вхід дозволу рахунку - імпульс, що вимірюється (рисунок 4). При цьому на виході лічильника відразу виходить цифровий код N, пропорційний напрузі, що вимірюється.
Малюнок 4. Перетворення тимчасового інтервалу на код
В даний час для цілей аналого-цифрового перетворення ШІМ використовується рідко. Це пояснюється:
- Низька завадостійкість описаного способу перетворення напруга-час (короткочасна перешкода, наведена на перетворюваний або опорний сигнал, може істотно спотворити тривалість імпульсу);
-порівняно невисокою швидкодією;
- складністю побудови високоякісного генератора опорного сигналу, що лінійно змінюється;
- Наявністю на ринку великого вибору закінчених недорогих мікросхем АЦП, заснованих на інших принципах.
Однак ШІМ цілком може бути використаний там, де немає високих вимог до точності та, наприклад, потрібно виконати гальванічну розв'язку джерела та приймача сигналу. В цьому випадку на стороні джерела сигналу ставиться простий генератор трикутної або пилкоподібної напруги та компаратор. Вихід компаратора (ШИМ-сигнал) управляє світлодіодом оптрона, а приймальна частина оптрона вмикається на стороні приймача сигналу (рисунок 5). Такий підхід часто використовується для організації зворотного зв'язку в мережевих імпульсних блоках живлення.
Малюнок 5. Гальванічна розв'язка аналогових сигналів за допомогою ШІМ. Ланцюги, розташовані ліворуч і праворуч від оптрона DA2, не пов'язані гальванічно.
На малюнку 6 наведено схему формування ШІМ-сигналу (файл PWM001.ckt). Джерело напруги V1 являє собою генератор пилкоподібної напруги, джерело V3 - джерело постійної напруги, що перетворюється, джерело V2 живить компаратор DA1 MAX907 (повну технічну документацію на MAX907 див. у файлі MAX907-MAX909.pdf).
Малюнок 6. Формувач ШІМ-сигналу
1. У якому діапазоні вхідної напруги V3 може працювати дана схема? Які зміни слід внести до схеми, щоб за її допомогою можна було перетворювати напругу в діапазоні від –1 до +1?
2. Покажіть, що як опорні можуть з однаковим успіхом використовуватися генератори трикутної та пилкоподібної напруги. Які відмінності будуть у сигналів, сформованих двома способами?
3. Промоделювавши роботусхеми у часовій області при кількох різних значеннях V3, побудуйте графік залежності тривалості вихідних імпульсів (коефіцієнта заповнення) від величини постійної вхідної напруги.
4. Промоделюйте роботу для випадку, коли V3 є сумою постійної складової 0,1В і синуса амплітудою 50 мВ з частотою 125кГц. Поясніть результати.
2. Відновлення вихідного сигналу із ШІМ-сигналу
Як мовилося раніше, одне із застосувань широтно-импульсной модуляції – це перехід від напруги до тривалості імпульсу з подальшого виміру цієї тривалості цифровим способом. Але в тому випадку, якщо ШІМ використовується тільки для передачі інформації про величину напруги, виникає необхідність відновити напругу з ШІМ-сигналу.
Найпростіший спосіб – подати напругу із широтно-імпульсною модуляцією на фільтр низької частоти. При подачі на вхід ФНЧ періодичного сигналу з періодом на його виході буде присутня постійна складова такого сигналу:
(1)
Якщо - це ШІМ-сигнал з амплітудою і тривалість імпульсів, то:
(2)
Таким чином, прямо пропорційно коефіцієнту заповнення (відношення тривалості імпульсу до періоду). Однак, внаслідок того, що реальний ФНЧ частково пропускає високочастотні складові ШІМ-сигналу, на виході фільтра будуть присутні і пульсації (рисунок 7).
Найпростішим ФНЧ є RC-ланцюжок (рисунок 8, файл PWM002.ckt). Вона характеризується постійним часом і частотою зрізу. Здається, поліпшення придушення ВЧ складових ШИМ-сигналу досить зменшити частоту зрізу такого ФНЧ, тобто, збільшити постійну часу . Однак таке рішення дає лише незначне зменшення пульсацій, за яке доводитьсярозплачуватися суттєвим збільшенням перехідних процесів при зміні шпаруватості сигналу. (Для ФНЧ 1-го порядку, перехідна характеристика досягає 95% кінцевого значення за час приблизно рівне , 99% - за , 99,9% - за , 99,99% - за ).
Малюнок 7. Фільтрація ШІМ-сигналу ідеальним та реальним ФНЧ
Малюнок 8. Виділення постійної складової ШІМ-сигналу за допомогою
ФНЧ першого порядку
Більш ефективним може бути використання фільтрів з тією самою частотою зрізу, але вищих порядків. Порівняно з ФНЧ 1-го порядку такі фільтри мають більш крутий спад частотної характеристики, а отже, забезпечують і краще придушення ВЧ складових. При цьому час перехідного процесу при зміні шпаруватості ШІМ-сигналу збільшується незначно. На малюнку 9 наведено схему з використанням активного ФНЧ Баттерворта 3-го порядку, реалізованого на базі операційних підсилювачів (файл PWM003.ckt). Джерело напруги V1 є джерелом ШІМ-сигналу, а джерела V2 та V3 використовуються для живлення операційних підсилювачів активного фільтра. (Повну технічну документацію на ОУ MCP604 див. у файлі mcp604.pdf).