Формирование шим. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

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

На форуме достаточно часто встречаются вопросы по реализации Широтно Импульсной Модуляции на микроконтроллерных устройствах. Я и сам очень много спрашивал по этому поводу и, разобравшись, решил облегчить труд новичкам в этой области, так как информации в сети много и рассчитана она на разработчиков разного уровня, а сам я только- только в нем разобрался и память ещё свежа.

Так как для меня самым важным было применение ШИМ именно для управления яркостью светодиодов, то именно их я и буду использовать в примерах. В качестве микроконтроллера будем использовать горячо любимый ATmega8.

Для начала вспомним, что такое ШИМ. ШИМ сигнал - это импульсный сигнал определенной частоты и скважности:

Частота, это количество периодов за одну секунду. Скважность- отношение длительности импульса к длительности периода. Можно изменять и то и другое, но для управления светодиодами достаточно управлять скважностью. На картинке выше мы видим ШИМ сигнал со скважностью 50 %, так как длительность импульса (ширина импульса) ровно половина от периода. Соответственно светодиод будет ровно половину времени во включенном состоянии и половину в выключенном. Частота ШИМ очень большая и глаз не заметит мерцания светодиода из за инерционности нашего зрения, поэтому нам будет казаться, что светодиод светится на половину яркости. Если мы изменим скважность на 75%, то яркость светодиода будет на 3 четверти от полной, а график будет выглядеть так:

Получается, что мы можем регулировать яркость светодиода от 0 до 100 %. А теперь поговорим о таком параметре ШИМ, как разрешение. Разрешение- это количество градаций (шагов) регулировки скважности, мы будем рассматривать разрешение в 256 шагов.

С параметрами вроде разобрались, теперь поговорим о том, как нам получить этот самый ШИМ от микроконтроллера. Берем остро заточенный разогретый паяльник и начинаем пытать МК, одновременно подцепившись к двум его ногам осциллографом и проверяя наличие на них сигнала нужной нам скважности. В микроконтроллерах есть аппаратная поддержка ШИМ и несколько каналов для него, в нашем случае 3. За выдачу ШИМ отвечают определенные выводы МК, в нашем случае OC2, OC1A, OC1B (15,16,17 нога в DIP корпусе). Так же для этого используются таймеры микроконтроллера, в нашем случае TC1, TC2. Так как же сконфигурировать МК для выдачи сигнала необходимой скважности? Все очень просто, для начала сконфигурируем нужные нам ноги на выход:

PORTB=0x00; DDRB=0x0E; // 0b00001110

Далее начнем конфигурировать таймеры. Для таймера TC1 нам потребуются два регистра: TCCR1A и TCCR1B. Открываем даташит и читаем как настраиваются эти регистры. Я настроил его на 8 битный сигнал ШИМ, что соответствует разрешению в 256 шагов:

TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x09;

Для таймера TC2 мы будем использовать регистр TCCR2=0x69;. Его настройка выглядит так:

TCCR2=0x69;

Всё, таймеры сконфигурированы. Скважность будем задавать регистрами OCR1A,OCR1B, OCR2:

Зададим требуемые скважности:

OCR1A=0x32; //50 шагов OCR1B=0x6A; //106 шагов OCR2=0xF0; //240 шагов

Ну и поместим инкремент и декремент этих регистров в бесконечный цикл:

While(1) { OCR1A++; OCR1B--; OCR2++; delay_ms(50); }

Первая тестовая программа готова и выглядит для CVAVR она так:

#include "mega8.h" #include "delay.h" void main(void) { PORTB=0x00; DDRB=0x0E; // 0b00001110 TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x09; TCCR2=0x69; OCR1A=0x32; //50 шагов OCR1B=0x6A; //106 шагов OCR2=0xF0; //240 шагов while (1) { OCR1A++; OCR1B--; OCR2++; delay_ms(50); }; }

Простейший генератор широтно-импульсных сигналов.

Основным назначением программы PWM Generator является формирование сигналов широтно-импульсной модуляции в режиме реального времени. Данные тоны генерируются на основе заданных значений частоты (в Герцах), рабочего цикла – соотношения времени между низким и высоким состоянием сигнала (в процентах) и амплитуды – уровня цифрового сигнала (в dBFS). Все вышеперечисленные параметры могут быть мгновенно изменены во время работы. Максимально возможный уровень генерируемого сигнала равен 0 dBFS, а наибольшая частота составляет половину частоты дискретизации. Для настройки генерирования звука оптимального уровня качества предусмотрено целое меню выходных характеристик. Здесь присутствует возможность изменения количества и размера внутренних буферов данных, частоты дискретизации и квантования.

Программное обеспечение может использоваться для создания управляющих тонов различных электрических и электромеханических устройств. В частности результирующий ШИМ-сигнал, снятый с выхода звуковой карты персонального компьютера и пропущенный через стандартный аудиоусилитель, применяется для регулирования двигателей, вентиляторов, приборов освещения.

PWM Generator поддерживает работу с несколькими звуковыми картами, причем предоставляется возможность выбора той из них, которая будет использоваться для вывода искомого сигнала (по умолчанию программа работает с устройством вывода, указанным в панели управления Windows). Стоит отметить, что рабочий ШИМ-сигнал может быть сохранен в качестве WAV-файла и в дальнейшем прослушан с помощью стандартного программного обеспечения. А при регулярном использовании определенных тонов генератор ШИМ-сигналов дает возможность сохранять (и загружать) их в виде пресетов. Кроме того, несколько пресетов поставляются вместе с приложением.

PWM Generator поддерживает опцию синхронизации всех запущенных экземпляров программы, позволяя генерировать сразу несколько тонов. Необходимо отметить возможность работы программного обеспечения в фоновом режиме, позволяя, пользователям переключить внимание на другие приложения. Кроме того PWM Generator может управляться с помощью скриптовых команд, а также через системы Windows Messaging.
Авторы сообщают, что чем быстрее рабочая станция, тем выше будет качество звука и «отзывчивость» элементов управления во время воспроизведения тонов.

Рассматриваемое приложение было написано работниками немецкой компании Esser Audio. Данная организация занимается созданием и распространением программных продуктов ( , и т.д.), предназначенных, в основном, для тестирования и испытания аудиоаппаратуры. Программы от Esser Audio отличаются неплохой функциональностью и крайне простым интерфейсом.

Программа PWM Generator является условно-бесплатной, ознакомительная версия дает возможность свободного запуска и тестирования приложения в течение первых тридцати дней. Стоимость программы для стран не входящих в Европейский союз составляет 14 евро, для входящих – 16,66 евро (за счет добавления налога на продажу). При покупке нескольких лицензий предоставляется скидка.

Приложение распространяется на английском и немецком языках. Справочный файл содержит подробное описание всех возможностей софта, а для дополнительной поддержки пользователей программного пакета был создан справочный онлайн-форум. Русской версии PWM Generator пока не существует.

Последняя версия программного обеспечения работоспособна на любых компьютерах с 32- или 64-разрядной операционной системой Microsoft Windows (9x, NT, 2000, 2003, XP, Vista, 7, 8) и звуковой картой.

Распространение программы: условно-бесплатная 14 евро. Есть триал-версия (30 суток)

ШИМ или PWM (англ. Pulse-Width Modulation) — широтно-импульсная модуляция — это метод предназначен для контроля величины напряжения и тока. Действие ШИМ заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды и постоянной частотой.

Свойства ШИМ регулирования используются в импульсных преобразователях, в схемах управления двигателями постоянного тока или яркостью свечения светодиодов.

Принцип действия ШИМ

Принцип действия ШИМ, как указывает на это само название, заключается в изменении ширины импульса сигнала. При использовании метода широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда остаются постоянными. Самым важным параметром сигнала ШИМ является коэффициент заполнения, который можно определить по следующей формуле:

Также можно отметить, что сумма времени высокого и низкого сигнала определяет период сигнала:

где:

Ton — время высокого уровня
Toff — время низкого уровня
T — период сигнала

Время высокого уровня и время низкого уровня сигнала показано на нижнем рисунке. Напряжение U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть его амплитуда.

На следующем рисунке представлен пример сигнала ШИМ с определенным временным интервалом высокого и низкого уровня.

Расчет коэффициента заполнения ШИМ

Расчет коэффициента заполнения ШИМ на примере:

Для расчета процентного коэффициента заполнения необходимо выполнить аналогичные вычисления, а результат умножить на 100%:

Как следует из расчета, на данном примере, сигнал (высокого уровня) характеризуется заполнением, равным 0,357 или иначе 37,5%. Коэффициент заполнения является абстрактным значением.

Важной характеристикой широтно-импульсной модуляции может быть также частота сигнала, которая рассчитывается по формуле:

Значение T, в нашем примере, следует взять уже в секундах для того, чтобы совпали единицы в формуле. Поскольку, формула частоты имеет вид 1/сек, поэтому 800ms переведем в 0,8 сек.

Благодаря возможности регулировки ширины импульса можно изменять, например, среднее значение напряжения. На рисунке ниже показаны различные коэффициенты заполнения при сохранении той же частоты сигналов и одной и той же амплитуды.

Для вычисления среднего значения напряжения ШИМ необходимо знать коэффициент заполнения, поскольку среднее значение напряжения является произведением коэффициента заполнения и амплитуды напряжения сигнала.
Для примера, коэффициент заполнения был равен 37,5% (0,357) и амплитуда напряжения U1 = 12В даст среднее напряжение Uср:

В этом случае среднее напряжение сигнала ШИМ составляет 4,5 В.

ШИМ дает очень простую возможность понижать напряжение в диапазоне от напряжения питания U1 и до 0. Это можно использовать, например, для , или скорости вращения двигателя DC (постоянного тока), питающиеся от величины среднего напряжения.

Сигнал ШИМ может быть сформирован микроконтроллером или аналоговой схемой. Сигнал от таких схем характеризуется низким напряжением и очень малым выходным током. В случае необходимости регулирования мощных нагрузок, следует использовать систему управления, например, с помощью транзистора.

Это может быть биполярный или полевой транзистор. На следующих примерах будет использован .

Пример управления светодиодом при помощи ШИМ.

Сигнал ШИМ поступает на базу транзистора VT1 через резистор R1, иначе говоря, транзистор VT1 с изменением сигнала то включается, то выключается. Это подобно ситуации, при которой транзистор можно заменить обычным выключателем, как показано ниже:

Когда переключатель замкнут, светодиод питается через резистор R2 (ограничивающий ток) напряжением 12В. А когда переключатель разомкнут, цепь прерывается, и светодиод гаснет. Такие переключения с малой частотой в результате дадут .

Однако, если необходимо управлять интенсивностью свечения светодиодов необходимо увеличить частоту сигнала ШИМ, так, чтобы обмануть человеческий глаз. Теоретически переключения с частотой 50 Гц уже не незаметны для человеческого глаза, что в результате дает эффект уменьшения яркости свечения светодиода.

Чем меньше коэффициент заполнения, тем слабее будет светиться светодиод, поскольку во время одного периода светодиод будет гореть меньшее время.

Такой же принцип и подобную схему можно использовать и для . В случае двигателя необходимо, однако, применять более высокую частоту переключений (выше 15-20 кГц) по двум причинам.

Первая из них касается звука, какой может издавать двигатель (неприятный писк). Частота 15-20 кГц является теоретической границей слышимости человеческого уха, поэтому частоты выше этой границы будут неслышны.

Второй вопрос касается стабильности работы двигателя. При управлении двигателем низкочастотным сигналом с малым коэффициентом заполнения, обороты двигателя будут нестабильны или может привести к его полной остановке. Поэтому, чем выше частота сигнала ШИМ, тем выше стабильность среднего выходного напряжения. Также меньше пульсаций напряжения.

Не следует, однако, слишком завышать частоту сигнала ШИМ, так как при больших частотах транзистор может не успеть полностью открыться или закрыться, и схема управления будет работать не правильно. Особенно это относится к полевым транзисторам, где время перезарядки может быть относительно большое, в зависимости от конструкции.

Слишком высокая частота сигнала ШИМ также вызывает увеличение потерь на транзисторе, поскольку каждое переключение вызывает потери энергии. Управляя большими токами на высоких частотах необходимо подобрать быстродействующий транзистор с низким сопротивлением проводимости.

Управляя , следует помнить о применении диода для защиты транзистор VТ1 от индукционных всплесков, появляющимся в момент выключения транзистора. Благодаря использованию диода, индукционный импульс разряжается через него и внутреннее сопротивление двигателя, защищая тем самым транзистор.

Схема системы управления скоростью вращения двигателя постоянного тока с защитным диодом.

Для сглаживания всплесков питания между клеммами двигателя, можно подключить к ним параллельно конденсатор небольшой емкости (100nF), который будет стабилизировать напряжение между последовательными переключениями транзистора. Это также снизит помехи, создаваемые частыми переключениями транзистора VT1.

Широтно-импульсно модулированный сигнал очень часто применяется в электронике для передачи информации, регулировки мощности или формирования постоянного напряжения произвольного уровня. В этой статье описано устройство на операционном усилителе, размером 20х20мм из 15 элементов, которое генерирует ШИМ-сигнал.

ШИМ-сигнал (PWM) представляет собой последовательность импульсов, частота которых неизменна, а модулируется длительность импульсов. Большинство микроконтроллеров легко справляются с этой задачей, но что делать если нет желания программировать и использовать такое мощное средство для такой простой задачи? В этом случае можно использовать дискретные элементы.

Для начала необходимо сформировать последовательность пилообразных импульсов и подать ее на вход компаратора. На второй вход компаратора подается модулирующий сигнал, например, напряжение с переменного резистора. Если напряжение генератора выше напряжения на втором входе — на выходе напряжение близко к напряжению питания. Если напряжение генератора ниже — на выходе ноль.

На рисунке Uк — напряжение команды (постоянный уровень, заданный переменным резистором), Uген — напряжение генератора, UPWM — ШИМ-сигнал.

Схема

Все эти задачи можно легко выполнить при помощи двух операционных усилителей так как показано на схеме.

В схеме применена микросхема LM358N, которая использует однополярное питание и содержит два канала в одном корпусе SO8.

Печатная плата

Все элементы, кроме резистора R3, предназначены для поверхностного монтажа и располагаются на плате с минимальным размером. R3 расположен на обратной стороне платы. Генераторные схемы очень капризны с точки зрения трассировки печатных плат. Если изменить топологию платы нельзя гарантировать ее работоспособность. Первая версия платы генерировала пилообразное напряжение с очень низкой амплитудой и ее было невозможно использовать.

Сборка и работа схемы

Сама плата очень маленькая — 20х20 мм и легко изготавливается методом ЛУТ. Она лишь немного больше переменного резистора, изменяющего скважность сигнала.

Технические характеристики

напряжение питания, 5-15В
диапазон изменения скважности, от 1 до бесконечности
рабочая частота, 500Гц
потребляемый ток, не более, 2мА

Рабочая частота определяется конденсатором C1. Для снижения частоты можно увеличить его емкость и наоборот.

Список элементов

ИМС LM358N в корпусе SO8 (DA1), 1 шт.
Резисторы 20кОм в корпусе 0805 (R1,R2,R4-R6), 5 шт.
Резисторы 10кОм в корпусе 0805 (R7,R8), 2 шт.
Любой переменный резистор с шагом выводов 5мм и сопротивлением 50кОм
Конденсаторы 0,1мкФ в корпусе 0805 (C1,C2,C4), 3шт.
Конденсатор танталовый 47мкФ, 16В, типоразмера С, T491C476K016AT (C3), 1шт.

Видео работы

Работает плата достаточно стабильно. На видео видно, как меняется яркость светодиода. Неудобство только в том, что используется лишь половина диапазона резистора R3. То есть в первой и последней четверти положения вала напряжение остается без изменения.