Скважность шим – ШИМ — широтно-импульсная модуляция | joyta.ru

ШИМ — широтно-импульсная модуляция | joyta.ru

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 регулировки яркости свечения светодиодов, 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 биполярный транзистор BC547.

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 мигающий светодиод.

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 управления двигателем постоянного тока. 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  двигателем постоянного тока с помощью ШИМ, 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.

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.

www.joyta.ru

AVR. Учебный курс. Использование ШИМ

Вот уже несколько раз я ругался странным словом ШИМ. Пора бы внести ясность и разьяснить что же это такое. Вообще, я уже расписывал этот режим работы, но все же повторюсь в рамках своего курса.

Вкратце, Широтно Импульсная Модуляция (в буржуйской нотации этот режим зовется PWM — Pulse Width Modulation) это способ задания аналогового сигнала цифровым методом, то есть из цифрового выхода, дающего только нули и единицы получить какие то плавно меняющиеся величины. Звучит как бред, но тем не менее работает. А суть в чем:
 

Представь себе тяжеленный маховик который ты можешь вращать двигателем. Причем двигатель ты можешь либо включить, либо выключить. Если включить его постоянно, то маховик раскрутится до максимального значения и так и будет крутиться. Если выключить, то остановится за счет сил трения.
 

А вот если двигатель включать на десять секунд каждую минуту, то маховик раскрутится, но далеко не на полную скорость — большая инерция сгладит рывки от включающегося двигателя, а сопротивление от трения не даст ему крутится бесконечно долго.
 

Чем больше

Меня скважность (отношение длительности периода к длительности импульса) можно плавно менять эту площадь, а значит и напряжение на выходе. Таким образом если на выходе сплошные 1, то на выходе будет напряжение высокого уровня, в случае моего робота, на выходе из моста L293 это 12 вольт, если нули, то ноль. А если 50% времени будет высокий уровень, а 50% низкий то 6 вольт. Интегрирующей цепочкой тут будет служить масса якоря двигателя, обладающего довольно большой инерцией.
 

А что будет если взять и гнать ШИМ сигнал не от нуля до максимума, а от минуса до плюса. Скажем от +12 до -12. А можно задавать переменный сигнал! Когда на входе ноль, то на выходе -12В, когда один, то +12В. Если скважность 50% то на выходе 0В. Если скважность менять по синусоидальному закону от максимума к минимуму, то получим… правильно! Переменное напряжение. А если взять три таких ШИМ генератора и гнать через них синусоиды сдвинутые на 120 градусов между собой, то получим самое обычное трехфазное напряжение, а значит привет бесколлекторные асинхронные и синхронные двигатели — фетиш всех авиамоделистов. На этом принципе построены все современные промышленные привода переменного тока. Всякие Unidrive и Omron Jxx

 
В качестве сглаживающей интегрирующей цепи в ШИМ может быть применена обычная RC цепочка:

Так, принцип понятен, приступаем к реализации.
ШИМ сигнал можно сварганить и на операционных усилителях и на микроконтроллере. Причем последние умеют это делать просто мастерски, благо все у них для этого уже есть.

 
Аппаратный ШИМ
В случае ATMega16 проще всего сделать на его ШИМ генераторе, который встроен в таймеры. Причем в первом таймере у нас целых два канала. Так что без особого напряга ATmega16 может реализовать одновременно четыре канала ШИМ.

 
Как это реализовано
У таймера есть особый регистр сравнения OCR**. Когда значение в счётном регистре таймера достигнает значения находящегося в регистре сравнения, то могут возникнуть следующие аппаратные события:

• Прерывание по совпадению
• Изменение состояния внешнего выхода сравнения OC**.

 
Выходы сравнения выведены наружу, на выводы микроконтроллера

 
На демоплате Pinboard к этим выводам как раз подключены светодиоды. А если поставить джамперы вдоль, в сторону надписи RC то к выводу ШИМ будет подключена интегрирующая цепочка.

Для Pinboard II разница в подключении невелика. Джамперы тут сгруппированы в один блок. А светодиоды и RC цепочки сгруппированы в левом верхнем углу платы.

Предположим, что мы настроили наш ШИМ генератор так, чтобы когда значение в счетном регистре больше чем в регистре сравнения, то на выходе у нас 1, а когда меньше, то 0.

 
Что при этом произойдет? Таймер будет считать как ему и положено, от нуля до 256, с частотой которую мы настроим битами предделителя таймера. После переполнения сбрасывается в 0 и продолжает заново.

 
Как видишь, на выходе появляются импульсы. А если мы попробуем увеличить значение в регистре сравнения, то ширина импульсов станет уже.

Так что меняя значение в регистре сравнения можно менять скважность ШИМ сигнала. А если пропустить этот ШИМ сигнал через сглаживающую RC цепочку (интегратор) то получим аналоговый сигнал.

 
У таймера может быть сколько угодно регистров сравнения. Зависит от модели МК и типа таймера. Например, у Атмега16

• Timer0 — один регистр сравнения
• Timer1 — два регистра сравнения (16ти разрядных!)
• Timer2 — один регистр сравнения

 
Итого — четыре канала. В новых AVR бывает и по три регистра сравнения на таймер, что позволяет одним МК организовать просто прорву независимых ШИМ каналов.

 
Самих режимов ШИМ существует несколько:

 
Fast PWM
В этом режиме счетчик считает от нуля до 255, после достижения переполнения сбрасывается в нуль и счет начинается снова. Когда значение в счетчике достигает значения регистра сравнения, то соответствующий ему вывод ОСхх сбрасыватся в ноль. При обнулении счетчика этот вывод устанавливается в 1. И все!

 
Частота получившегося ШИМ сигнала определяется просто: Частота процесора 8Мгц, таймер тикает до 256 с тактовой частотой. Значит один период ШИМ будет равен 8000 000/256 = 31250Гц. Вполне недурно. Быстрей не получится — это максимальная скорость на внутреннем 8Мгц тактовом генераторе. Но если переключить FUSE биты на внешний кварц то можно раскачать МК на 16Мгц.

 
Еще есть возможность повысить разрешение, сделав счет 8, 9, 10 разрядным (если разрядность таймера позволяет), но надо учитывать, что повышение разрядности, вместе с повышением дискретности выходного аналогового сигнала, резко снижает частоту ШИМ.

Phase Correct PWM
ШИМ с точной фазой. Работает похоже, но тут счетчик считает несколько по другому. Сначала от 0 до 255, потом от 255 до 0. Вывод OCxx при первом совпадении сбрасывается, при втором устанавливается.
Но частота ШИМ при этом падает вдвое, изза большего периода. Основное его предназначение, делать многофазные ШИМ сигналы, например, трехфазную синусоиду. Чтобы при изменении скважности не сбивался угол фазового сдвига между двумя ШИМ сигналами. Т.е. центры импульсов в разных каналах и на разной скважности будут совпадать.

 
Еще одна тонкость:
Чтобы не было кривых импульсов, то в регистр сравнения любое значение попадает через буфферный регистр и заносится только тогда, когда значение в счетчике достигнет максимума. Т.е. к началу нового периода ШИМ импульса.

 
Clear Timer On Compare
Сброс при сравнении. Это уже скорей ЧИМ — частотно-импульсно моделированный сигнал. Тут работает несколько иначе, чем при других режимах. Тут счетный таймер тикает не от 0 до предела, а от 0 до регистра сравнения! А после чего сбрасывается.

 
В результате, на выходе получаются импульсы всегда одинаковой скважности, но разной частоты. А чаще всего этот режим применяется когда надо таймером отсчитывать периоды (и генерить прерывание) с заданной точностью.

 
Например, надо нам прерывание каждую миллисекунду. И чтобы вот точно. Как это реализовать проще? Через Режим СТС! Пусть у нас частота 8Мгц.

 
Прескалер будет равен 64, таким образом, частота тиков таймера составит 125000 Гц. А нам надо прерывание с частотой 1000Гц. Поэтому настраиваем прерывание по совпадению с числом 125.

 
Дотикал до 125 — дал прерывание, обнулился. Дотикал до 125 — дал прерывание, обнулился. И так бесконечно, пока не выключим.

 
Вот вам и точная тикалка.

 
Нет, конечно, можно и вручную. Через переполнение, т.е. дотикал до переполнения, загрузил в обработчике прерывания заново нужные значение TCNTх=255-125, сделал нужные полезные дела и снова тикать до переполнения. Но ведь через СТС красивей! 🙂

 
Аппаратура
А теперь контрольные регистры, которыми все это безобразие задается и программируется. Опишу на примере Двухканального FastPWM на таймере 1. В других все похоже. Даташит в зубы и вперед.

 
Итак, тут правят бал регистры TCCR1A и TCCR1B. Гы, кто бы сомневался %)

 
Распишу их по битам.
Регистр TCCR1A, биты COM1A1:COM1A0 и COM1B1:COM1B0. Эта братия определяет поведение вывода сравнения OC1A и OC1B соответственно.

 
Регистр TCCR1A, биты WGM11 и WGM10 вместе с битами WGM12 и WGM13, находящимися в регистре TCCR1B задают режим работы генератора.

 
Другие комбинации битов WGM задают режимы Phase Correct PWM и CTC (сброс OCxx при совпадении). Если интересно, то читай даташит, я для себя много интересного там не нашел, кроме Phase Correct PWM. И то мне сейчас важней скорость, а не точность фазы 🙂

 
После остается только запустить таймер, установив бит CS10 (подсчет тактовых импульсов с делителем 1:1)

 
Пример кода:

 
Попробуем поиграться яркостью светодиодов с помощью ШИМ сигналов. Подключи джамперы, чтобы запитать светодиоды LED1 и LED2

 
Для версии Pinboard II все аналогично, с поправкой на другое расположение джамперов:

 
Теперь все готово, можно писать код. Вначале в раздел инициализации устройств добавляю настройку таймера на запуск ШИМ и подготовку выводов.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

;FastPWM Init
	SETB	DDRD,4,R16	; DDRD.4 = 1 Порты на выход
	SETB	DDRD,5,R16	; DDRD.5 = 1
 
; Выставляем для обоих каналов ШИМ режим вывода ОС** сброс при совпадении. 
; COM1A = 10 и COM1B = 10
; Также ставим режим FAST PWM 8bit (таймер 16ти разрядный и допускает
; большую разрядность ШИМ сигнала. Вплоть до 10 бит.  WGM = 0101
; Осталось только запустить таймер на частоте МК CS = 001
 
	OUTI 	TCCR1A,2<<COM1A0|2<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10	 
	OUTI	TCCR1B,0<<WGM13|1<<WGM12|1<<CS10

;FastPWM Init SETB DDRD,4,R16 ; DDRD.4 = 1 Порты на выход SETB DDRD,5,R16 ; DDRD.5 = 1 ; Выставляем для обоих каналов ШИМ режим вывода ОС** сброс при совпадении. ; COM1A = 10 и COM1B = 10 ; Также ставим режим FAST PWM 8bit (таймер 16ти разрядный и допускает ; большую разрядность ШИМ сигнала. Вплоть до 10 бит. WGM = 0101 ; Осталось только запустить таймер на частоте МК CS = 001 OUTI TCCR1A,2<<COM1A0|2<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10 OUTI TCCR1B,0<<WGM13|1<<WGM12|1<<CS10

 
Готово! Теперь ШИМ таймера1 генерит сигнал на выходаx OC1А и OC1B

 
Закинем в регистры сравнения первого и второго канала число 255/3=85 и 255/2 = 128
Так как ШИМ у нас 8ми разрядный, то заброс идет только в младший разряд. Старший же остается нулем. Но регистры сравнения тут у нас 16ти разрядные поэтому грузить надо оба байта сразу. Не забыв запретить прерывания (это важно!!! ибо атомарный доступ)

1
2
3
4
5
6
7

	CLI
	OUTI	OCR1AH,0
	OUTI	OCR1AL,85
 
	OUTI	OCR1BH,0
	OUTI	OCR1BL,128
	SEI

CLI OUTI OCR1AH,0 OUTI OCR1AL,85 OUTI OCR1BH,0 OUTI OCR1BL,128 SEI

 
Поехали! 🙂

 
Прошиваем, тыкаемся в ноги микроконтроллера осциллографом — видим следующую картину по каналам:

 
Как мы и запланировали. С первого канала длительность импульса в 1/3 периода, а со второго в 1/2
Ну и светодиоды горят с разной яркостью. Один ярче, другой тусклей. Меняя значение в регистрах OCR*** мы можем менять скважность.

 
Давай сделаем так, чтобы светодиод плавно менял свою яркость от нуля до максимума. Как помнишь, у нас там была программа, с мигающем по таймеру0 светодиодом. Немного ее подправим, сделаем так, чтобы по таймеру не светодиод мигал, а менялось значение в регистрах сравнения OCR1A и OCR1B. Причем меняться оно будет в разные стороны 🙂

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55

; Main =========================================================
Main:	LDS	R16,TCNT	; Грузим числа в регистры
	LDS	R17,TCNT+1
 
	CPI	R16,0x10	; Сравниванем побайтно выдержку
	BRCS	NoMatch
	CPI	R17,0x01	; Выдержку сделали поменьше = 0x0110
	BRCS	NoMatch
 
; Если совпало то делаем экшн
Match:	CLI			; Запрет прерываний, т.к. атомарный доступ
 
; Меняем первый канал
; Особенность 16ти разрядных регистров в том, что их надо правильно читать и записывать.
; Читают вначале младший, потом старший байты. Так надо, чтобы младший не успел измениться
; (он ведь может тикать по таймеру) пока читают первым старший.  Укладывают их в обратном
; порядке. Сначала старший, потом младший. Правда для регистров OCR это не имеет большой 
; разницы -- они статичные, а вот для TCNT очень даже!
 
	IN	R16,OCR1AL	; Достали первый байт сравнения
	IN	R17,OCR1AH	; он 16ти разрядный, но старший байт будет 0
 
	INC	R16		; Увеличили
 
	OUT	OCR1AH,R17	; И сунули их обратно
	OUT	OCR1AL,R16
 
; Меняем второй канал
	IN	R16,OCR1BL	; Достали второй байт сравнения
	IN	R17,OCR1BH	; он 16ти разрядный, но старший байт будет 0
 
	DEC	R16		; Уменьшили
 
	OUT	OCR1BH,R17	; И сунули их обратно
	OUT	OCR1BL,R16	
	SEI			; Конец атомарного доступа
 
; Теперь надо обнулить счетчик, иначе за эту же итерацию главного цикла
; Мы сюда попадем еще не один раз -- таймер то не успеет натикать 255 значений
; чтобы число в первых двух байтах счетчика изменилось. 
 
	CLR	R16		; Нам нужен ноль
	CLI			; Таймер меняется и в прерывании. Нужен
				; атомарный доступ. Запрещаем прерывания
	OUT	TCNT0,R16	; Ноль в счетный регистр таймера
	STS	TCNT,R16	; Ноль в первый байт счетчика в RAM
	STS	TCNT+1,R16	; Ноль в второй байт счетчика в RAM
	STS	TCNT+2,R16	; Ноль в третий байт счетчика в RAM
	STS	TCNT+3,R16	; Ноль в первый байт счетчика в RAM
	SEI			; Разрешаем прерывания. 
; Не совпало - не делаем :) 
NoMatch:	NOP
 
	INCM	CCNT		; Шарманка вращается дальше, вхолостую
	JMP	Main

; Main ========================================================= Main: LDS R16,TCNT ; Грузим числа в регистры LDS R17,TCNT+1 CPI R16,0x10 ; Сравниванем побайтно выдержку BRCS NoMatch CPI R17,0x01 ; Выдержку сделали поменьше = 0x0110 BRCS NoMatch ; Если совпало то делаем экшн Match: CLI ; Запрет прерываний, т.к. атомарный доступ ; Меняем первый канал ; Особенность 16ти разрядных регистров в том, что их надо правильно читать и записывать. ; Читают вначале младший, потом старший байты. Так надо, чтобы младший не успел измениться ; (он ведь может тикать по таймеру) пока читают первым старший. Укладывают их в обратном ; порядке. Сначала старший, потом младший. Правда для регистров OCR это не имеет большой ; разницы — они статичные, а вот для TCNT очень даже! IN R16,OCR1AL ; Достали первый байт сравнения IN R17,OCR1AH ; он 16ти разрядный, но старший байт будет 0 INC R16 ; Увеличили OUT OCR1AH,R17 ; И сунули их обратно OUT OCR1AL,R16 ; Меняем второй канал IN R16,OCR1BL ; Достали второй байт сравнения IN R17,OCR1BH ; он 16ти разрядный, но старший байт будет 0 DEC R16 ; Уменьшили OUT OCR1BH,R17 ; И сунули их обратно OUT OCR1BL,R16 SEI ; Конец атомарного доступа ; Теперь надо обнулить счетчик, иначе за эту же итерацию главного цикла ; Мы сюда попадем еще не один раз — таймер то не успеет натикать 255 значений ; чтобы число в первых двух байтах счетчика изменилось. CLR R16 ; Нам нужен ноль CLI ; Таймер меняется и в прерывании. Нужен ; атомарный доступ. Запрещаем прерывания OUT TCNT0,R16 ; Ноль в счетный регистр таймера STS TCNT,R16 ; Ноль в первый байт счетчика в RAM STS TCNT+1,R16 ; Ноль в второй байт счетчика в RAM STS TCNT+2,R16 ; Ноль в третий байт счетчика в RAM STS TCNT+3,R16 ; Ноль в первый байт счетчика в RAM SEI ; Разрешаем прерывания. ; Не совпало – не делаем 🙂 NoMatch: NOP INCM CCNT ; Шарманка вращается дальше, вхолостую JMP Main

 
А теперь давайте включим режим с точной фазой (WGM = 0001) и посмотрим на то как будет меняться скважность.

1
2

	OUTI 	TCCR1A,2<<COM1A0|2<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10	 
	OUTI	TCCR1B,0<<WGM13|0<<WGM12|1<<CS10

OUTI TCCR1A,2<<COM1A0|2<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10 OUTI TCCR1B,0<<WGM13|0<<WGM12|1<<CS10

 
ШИМ на прерываниях.
Но вот засада — плата уже разведена, захотелось ШИМ, а выводы OCxx уже задействованы под другие цели.

 
Ничего страшного, малой кровью можно это исправить. Также запускаем ШИМ, только:

• Отключаем выводы OCxx от регистра сравнения.
• Добавляем два обработчика прерывания на сравнение и на переполнение. В прерывании по сравнению сбрасываем нужный бит, в прерывании по переполнению счетчика устанавливаем.

Все просто 🙂

 
Пример:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

;FastPWM Init на прерываниях
 
; ШИМ будет на выводах 3 и 6 порта D
	SETB	DDRD,3,R16	; DDRD.3 = 1 Порты на выход
	SETB	DDRD,6,R16	; DDRD.6 = 1
 
; Выставляем для обоих каналов ШИМ режим вывода ОС** выключеным. 
; COM1A = 00 и COM1B = 00
; Также ставим режим FAST PWM 8bit (таймер 16ти разрядный и допускает
; большую разрядность ШИМ сигнала. Вплоть до 10 бит.  WGM = 0101
; Осталось только запустить таймер на частоте МК CS = 001
 
	OUTI 	TCCR1A,0<<COM1A0|0<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10	 
	OUTI	TCCR1B,0<<WGM13|1<<WGM12|1<<CS10	
 
	SETB	TIMSK,OCIE1A,R16	; Включаем прерывание по сравнению А
	SETB	TIMSK,OCIE1B,R16	; Включаем прерывание по сравнению Б
	SETB	TIMSK,TOIE1,R16	; Включаем прерывание по переполнению Т1
					; Причем в режиме WGM=1010 переполнение
					; будет на FF т.е. таймер работает как
					; 8ми разрядный.

;FastPWM Init на прерываниях ; ШИМ будет на выводах 3 и 6 порта D SETB DDRD,3,R16 ; DDRD.3 = 1 Порты на выход SETB DDRD,6,R16 ; DDRD.6 = 1 ; Выставляем для обоих каналов ШИМ режим вывода ОС** выключеным. ; COM1A = 00 и COM1B = 00 ; Также ставим режим FAST PWM 8bit (таймер 16ти разрядный и допускает ; большую разрядность ШИМ сигнала. Вплоть до 10 бит. WGM = 0101 ; Осталось только запустить таймер на частоте МК CS = 001 OUTI TCCR1A,0<<COM1A0|0<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10 OUTI TCCR1B,0<<WGM13|1<<WGM12|1<<CS10 SETB TIMSK,OCIE1A,R16 ; Включаем прерывание по сравнению А SETB TIMSK,OCIE1B,R16 ; Включаем прерывание по сравнению Б SETB TIMSK,TOIE1,R16 ; Включаем прерывание по переполнению Т1 ; Причем в режиме WGM=1010 переполнение ; будет на FF т.е. таймер работает как ; 8ми разрядный.

 
Осталось только прописать обработчики и вектора:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72

         .CSEG
         .ORG $000		; (RESET) 
         RJMP   Reset
         .ORG $002
         RETI			; (INT0) External Interrupt Request 0
         .ORG $004
         RETI 			; (INT1) External Interrupt Request 1
         .ORG $006
         RETI			; (TIMER2 COMP) Timer/Counter2 Compare Match
         .ORG $008
         RETI 			; (TIMER2 OVF) Timer/Counter2 Overflow
         .ORG $00A
         RETI			; (TIMER1 CAPT) Timer/Counter1 Capture Event
         .ORG $00C 
         RJMP Timer1_OCA		; (TIMER1 COMPA) Timer/Counter1 Compare Match A
         .ORG $00E
         RJMP Timer1_OCB		; (TIMER1 COMPB) Timer/Counter1 Compare Match B
         .ORG $010
         RJMP Timer1_OVF 		; (TIMER1 OVF) Timer/Counter1 Overflow
         .ORG $012
         RJMP	Timer0_OV 	; (TIMER0 OVF) Timer/Counter0 Overflow
         .ORG $014
         RETI 			; (SPI,STC) Serial Transfer Complete
         .ORG $016
         RETI     			; (USART,RXC) USART, Rx Complete
         .ORG $018
         RETI			; (USART,UDRE) USART Data Register Empty
         .ORG $01A
         RETI			; (USART,TXC) USART, Tx Complete
         .ORG $01C
         RETI			; (ADC) ADC Conversion Complete
         .ORG $01E
         RETI			; (EE_RDY) EEPROM Ready
         .ORG $020
         RETI			; (ANA_COMP) Analog Comparator
         .ORG $022
         RETI			; (TWI) 2-wire Serial Interface
         .ORG $024
         RETI			; (INT2) External Interrupt Request 2
         .ORG $026
         RETI			; (TIMER0 COMP) Timer/Counter0 Compare Match
         .ORG $028
         RETI			; (SPM_RDY) Store Program Memory Ready
 
	 .ORG   INT_VECTORS_SIZE      	; Конец таблицы прерываний
 
; Interrupts ==============================================
Timer0_OV:	PUSHF
		PUSH	R17
		PUSH	R18
		PUSH	R19
 
		INCM	TCNT
 
		POP	R19
		POP	R18
		POP	R17
		POPF
 
		RETI
 
; Вот наши обработчики на ШИМ
Timer1_OCA:	SBI	PORTD,3
		RETI
 
Timer1_OCB:	SBI	PORTD,6
		RETI
 
Timer1_OVF: 	CBI	PORTD,3
		CBI	PORTD,6
		RETI
; End Interrupts ==========================================

.CSEG .ORG $000 ; (RESET) RJMP Reset .ORG $002 RETI ; (INT0) External Interrupt Request 0 .ORG $004 RETI ; (INT1) External Interrupt Request 1 .ORG $006 RETI ; (TIMER2 COMP) Timer/Counter2 Compare Match .ORG $008 RETI ; (TIMER2 OVF) Timer/Counter2 Overflow .ORG $00A RETI ; (TIMER1 CAPT) Timer/Counter1 Capture Event .ORG $00C RJMP Timer1_OCA ; (TIMER1 COMPA) Timer/Counter1 Compare Match A .ORG $00E RJMP Timer1_OCB ; (TIMER1 COMPB) Timer/Counter1 Compare Match B .ORG $010 RJMP Timer1_OVF ; (TIMER1 OVF) Timer/Counter1 Overflow .ORG $012 RJMP Timer0_OV ; (TIMER0 OVF) Timer/Counter0 Overflow .ORG $014 RETI ; (SPI,STC) Serial Transfer Complete .ORG $016 RETI ; (USART,RXC) USART, Rx Complete .ORG $018 RETI ; (USART,UDRE) USART Data Register Empty .ORG $01A RETI ; (USART,TXC) USART, Tx Complete .ORG $01C RETI ; (ADC) ADC Conversion Complete .ORG $01E RETI ; (EE_RDY) EEPROM Ready .ORG $020 RETI ; (ANA_COMP) Analog Comparator .ORG $022 RETI ; (TWI) 2-wire Serial Interface .ORG $024 RETI ; (INT2) External Interrupt Request 2 .ORG $026 RETI ; (TIMER0 COMP) Timer/Counter0 Compare Match .ORG $028 RETI ; (SPM_RDY) Store Program Memory Ready .ORG INT_VECTORS_SIZE ; Конец таблицы прерываний ; Interrupts ============================================== Timer0_OV: PUSHF PUSH R17 PUSH R18 PUSH R19 INCM TCNT POP R19 POP R18 POP R17 POPF RETI ; Вот наши обработчики на ШИМ Timer1_OCA: SBI PORTD,3 RETI Timer1_OCB: SBI PORTD,6 RETI Timer1_OVF: CBI PORTD,3 CBI PORTD,6 RETI ; End Interrupts ==========================================

Почему я в этих обработчиках не сохраняю регистры и SREG? А незачем! Команды SBI меняют только конкретные биты (а больше нам и не надо), не влияя на флаги и другие регистры.

 
Запустили…

 
И получили полную херню. Т.е. ШИМ как бы есть, но почему то адово мерцает. А на осциллографе в этот момент полный треш. Кто виноват? Видимо конфликт прерываний. Осталось только выяснить где именно. Сейчас я вам дам практический пример реалтаймовой отладки 🙂

 
Итак, что мы имеем:

 
ШИМ, как таковой, работает. Скважность меняется. Значит наш алгоритм верен.
Но длительности скачут. Почему? Видимо потому, что что-то мешает им встать вовремя. Когда у нас возникают фронты? Правильно — по прерываниям. А прерывания по таймерам. Т.е. врать не должны. Однако так получается. Давайте узнаем каком месте у нас конфликт.

 
Первым делом надо добавить в код обработчика отладочную инфу. Будем в обработчике прерываний инвертировать бит. Пусть это будет PD7 — зашли в обработчик, инверснули. Зашли — инверснули. В результате, у нас на выходе этого бита будет прямоугольный сигнал, где каждый фронт — сработка прерываний. Послужит нам как линейка, отмеряющая время.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33

; Interrupts ==============================================
Timer0_OV:	PUSHF
		PUSH	R17
		PUSH	R18
		PUSH	R19
 
		INCM	TCNT
 
		POP	R19
		POP	R18
		POP	R17
		POPF
 
		RETI
 
; Установка бита ШИМ канала А
Timer1_OCA:	SBI	PORTD,3
		RETI
 
; Установка бита ШИМ канала Б
Timer1_OCB:	SBI	PORTD,6
		RETI
 
;Сброс бита ШИМ канала А и Б
Timer1_OVF: 	CBI	PORTD,3
		CBI	PORTD,6
 
;DEBUG PIN BEGIN ---------------
		PUSHF
		INVBM	PORTD,7    
		POPF
;DEBUG PIN END -----------------
		RETI

; Interrupts ============================================== Timer0_OV: PUSHF PUSH R17 PUSH R18 PUSH R19 INCM TCNT POP R19 POP R18 POP R17 POPF RETI ; Установка бита ШИМ канала А Timer1_OCA: SBI PORTD,3 RETI ; Установка бита ШИМ канала Б Timer1_OCB: SBI PORTD,6 RETI ;Сброс бита ШИМ канала А и Б Timer1_OVF: CBI PORTD,3 CBI PORTD,6 ;DEBUG PIN BEGIN ————— PUSHF INVBM PORTD,7 POPF ;DEBUG PIN END —————– RETI

Инверсия бита невозможна без логических операций, поэтому надо сохранять флаги.

 
Из картинки стало понятно, что у нас накрывается прерывание по сравнению. Давайте попробуем посмотреть с какими прерыванием происходит конфликт. Особых вариантов у нас нет — прерываний у нас тут четрые. А наиболее очевиден конфликт Timer0_OV vs Timer1_OCA vs Timer1_OCB.

 
OCA и OCB конфликтуют только тогда, когда счетные регистры у них сравниваются — вызов происходит почти одновременно, но сами обработчики короткие — всего несколько тактов, поэтому дребезг не столь сильный.

 
А вот Timer0_OV делает довольно мощный прогруз стека и еще вычитает четырехбайтную переменную. Т.е. тактов на 20 может задержать обработчик установки бита Timer1_OC* от того и вылазят такие зверские дребезги.

 
Давайте проверим эту идею. Разрешим прерывания в обработчике Timer0_0V

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

; Interrupts ==============================================
Timer0_OV:	SEI
		PUSHF
		PUSH	R17
		PUSH	R18
		PUSH	R19
 
		INCM	TCNT
 
		POP	R19
		POP	R18
		POP	R17
		POPF
 
		RETI
 
; Установка бита ШИМ канала А
Timer1_OCA:	SBI	PORTD,3
		RETI
 
; Установка бита ШИМ канала Б
Timer1_OCB:	SBI	PORTD,6
		RETI
 
;Сброс бита ШИМ канала А и Б
Timer1_OVF: 	CBI	PORTD,3
		CBI	PORTD,6
		RETI

; Interrupts ============================================== Timer0_OV: SEI PUSHF PUSH R17 PUSH R18 PUSH R19 INCM TCNT POP R19 POP R18 POP R17 POPF RETI ; Установка бита ШИМ канала А Timer1_OCA: SBI PORTD,3 RETI ; Установка бита ШИМ канала Б Timer1_OCB: SBI PORTD,6 RETI ;Сброс бита ШИМ канала А и Б Timer1_OVF: CBI PORTD,3 CBI PORTD,6 RETI

 
Картина сразу исправилась. Теперь более важное (для нас важное) прерывание задвигает обработчик от Таймера 0. Но тут надо просекать возможные риски:

• Более глубокий прогруз стека
• Нарушается атомарный доступ к четырехбайтной переменной TCNT, поэтому если бы у нас было еще какое-то прерывание, меняющее TCNT то его надо было бы запрещать локально. Иначе бы мы получили такой трешняк, что проще заново прогу переписать, чем это отладить

.

 
ШИМ на таймерах
Когда совсем все плохо, то можно сделать на любом таймере. В обработчик прерывания по переполнению таймера заносим конечный автомат, который сначала загрузит в таймер длительность низкого уровня, а при следующем заходе — длительность высокого. Ну и, само собой, ноги процессора подергает как надо. Таким образом, на один таймер можно повесить дофига ШИМ каналов, но задолбаешься все с кодовой реализацией всего этого. И процессорное время жрать будет некисло. Не говоря уже про дребезги, о которых только что было сказано. Это для эстетов извращенцев :)))))

 
Исходник к статье

easyelectronics.ru

ШИМ – широтно-импульсная модуляция – Help for engineer

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция применяется в технике для преобразования переменного напряжения в постоянное, с изменением его среднего значения (U_d). Управление средним значением напряжения происходит путем изменения скважности импульсов.

Скважность – это отношение одного периода, к времени действия (длительности) импульса в нем. В англоязычной литературе часто встречается понятие коэффициент заполнения, который обратно пропорционален скважности. Формула скважности:

где T – длительность периода, с;
t – время действия импульса (длительность), с;
D – коэффициент заполнения.

То есть, не смотря на то, что скважность и коэффициент заполнения могут использоваться в одинаковом контексте, физический смысл их отличается. Эти величины безразмерны. Коэффициент заполнения обычно отображают в процентах (%).

Рисунок 1 – Скважность импульсов

На приведенном выше рисунке изображены импульсы, которые возникают с определенной периодичностью. Длительность импульса равна ¼ периода Т, это означает, что коэффициент заполнения равен 25%, а скважность – 4. Специфическое название имеется у набора импульсов c коэффициентом заполнения – 50%, такой сигнал называется меандр.

Существуют цифровые и аналоговые ШИМ. Принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения и заключается в сравнении двух видов сигналов:

U_оп – опорное (пилообразное, треугольное) напряжение;
U_упр – входное постоянное напряжение.

Cигналы поступают на компаратор, где они сравниваются, а при их пересечении возникает / исчезает (или становится отрицательным) сигнал на выходе ШИМ.

Выходное напряжение U_вых ШИМ имеет вид импульсов, изменяя их длительность, мы регулируем среднее значение напряжения (U_d) на выходе ШИМ:

Рисунок 2 – Скважность сигнала при однополярной ШИМ

Однополярная модуляция означает, что происходит формирование импульсов только положительной величины и имеет место нулевое значение напряжения. Осуществить такую модуляцию в некоторых схемах невозможно, преимущество однополярной модуляции: малое амплитудное значение высокочастотных гармоник.

В двухполярной модуляции вместо нулевого длительного напряжения формируется отрицательное напряжение, она проиллюстрирована на рисунке 4.

Преимущество использования ШИМ – это легкость изменения величины напряжения при минимальных потерях. Конечно же, можно, применять делитель напряжения, но его работа основана на применении резисторов, а на них происходит рассеивание энергии, что в свою очередь вызывает нагрев и неэкономичность (преобразование электрической энергии в тепловую).

Работа широтно-импульсного преобразователя реализуется с помощью полупроводниковых приборов – транзисторов. Максимальные потери на транзисторах бывают при их полуоткрытом состоянии. Поэтому используют два крайних положения: полностью открыты или закрыты, тогда потери минимальны. Частота срабатывания транзисторов очень большая, то есть переходные состояния имеют мало времени и потери, фактически, сводятся к нулю.

ШИМ нашел широкое применение как регулятор оборотов двигателей постоянного тока (ДПТ).

Рисунок 3 – Схема ШИМ регулятора для ДПТ

Схема ШИМ управления двигателя постоянного тока состоит из тиристорного преобразователя VS1÷VS6, сглаживающего конденсатора С. Транзисторы VT1÷VT4 реализуют подачу импульсного напряжения на двигатель постоянного тока М. С помощью обратных диодов VD1÷VD4, энергия будет отдаваться в сеть при торможении двигателя. Наличие в данной схеме четырех транзисторов дает возможность работы ДПТ во всех 4-х квадрантах механической характеристики.

Принцип работы схемы основан на двухполярной модуляции:

Рисунок 4 – Двухполярная широтно-импульсная модуляция

Недостаточно прав для комментирования

h4e.ru

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Аналоговая и цифровая

Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.

Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.

Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.

Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.

Аналоговая широтно-импульсная модуляция

Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T. D = t/T. Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.

Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения. S = T/t.

Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).

Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения равно произведению коэффициента заполнения и амплитуды напряжения. Так, при коэффициенте заполнения 0,3 и амплитуде напряжения 12 В среднее значение напряжения составит 0,3 х 12 = 3,6 (В). При изменении коэффициента заполнения в теоретически возможных пределах от 0% до 100% напряжение будет изменяться от 0 до 12 В, т.е. Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до амплитуды сигнала. Что и используется для регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока или яркости свечения светильника.

Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.

В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.

Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.

При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.

Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.

Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот. Иногда можно обойтись и без этого, поскольку электродвигатель обладает определенной электрической индуктивностью и механической инерцией. Сглаживание сигналов ШИМ происходит естественным путем в том случае, когда частота ШИМ превосходит время реакции регулируемого устройства.

Реализовать ШИМ можно посредством компаратора с двумя входами, на один из которых подается периодический пилообразный или треугольный сигнал от вспомогательного генератора, а на другой модулирующий сигнал управления. Длительность положительной части импульса ШИМ определяется временем, в течение которого уровень управляющего сигнала, подаваемого на один вход компаратора, превышает уровень сигнала вспомогательного генератора, подаваемого на другой вход компаратора.

При напряжении вспомогательного генератора выше напряжения управляющего сигнала на выходе компаратора будет отрицательная часть импульса.

Коэффициент заполнения периодических прямоугольных сигналов на выходе компаратора, а тем самым и среднее напряжение регулятора, зависит от уровня модулирующего сигнала, а частота определяется частотой сигнала вспомогательного генератора.

Цифровая широтно-импульсная модуляция

Существует разновидность ШИМ, называемая цифровой ШИМ. В этом случае период сигнала заполняется прямоугольными подымпульсами, и регулируется уже количество подымпульсов в периоде, что и определяет среднюю величину сигнала за период.

В цифровой ШИМ заполняющие период подымпульсы (или «единички») могут стоять в любом месте периода. Среднее значение напряжения за период определяется только их количеством, при этом подымпульсы могут следовать один за другим и сливаться. Отдельно стоящие подымпульсы приводят к ужесточению режима работы ключа.

В качестве источника сигнала цифровой ШИМ можно использовать COM-порт компьютера с 10-битовым сигналом на выходе. С учетом 8 информационных битов и 2 битов старт/стоп, в сигнале COM-порта присутствует от 1 до 9 «единичек», что позволяет регулировать напряжение в пределах 10-90% напряжения питания с шагом в 10%.

Похожие темы:

electrosam.ru

Что такое ШИМ — Уголок радиолюбителя

Хорошее определение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) заключается в самом его названии. Это означает модуляция (изменение) ширины импульса (не частоты). Чтобы лучше понять что такое ШИМ, давайте сначала посмотрим некоторые основные моменты.

Микроконтроллеры представляют собой интеллектуальные цифровые компоненты которые работают на основе бинарных сигналов. Лучшее представление бинарного сигнала – меандр (сигнал имеющий прямоугольную форму). Следующая схема объясняет основные термины, связанные с прямоугольным сигналом.

Что такое ШИМ

В ШИМ-сигнале время (период), и следовательно частота является всегда постоянной величиной. Изменяется только время включения и время выключения импульса (скважность). Используя данный метод модуляции, мы можем получить необходимое нам напряжение.

Единственное различие между меандром и ШИМ-сигналом заключается в том, что у меандра время включения и отключения равны и постоянны (50% скважность), в то время как ШИМ-сигнал имеет переменную скважность.

Меандр может рассматриваться как частный случай ШИМ сигнала, который имеет 50% рабочий цикл (период включения = период отключения).

Рассмотрим на примере использование ШИМ

Допустим, мы имеим напряжение питания 50 вольт и нам необходимо запитать какую-либо нагрузку, работающую от 40 вольт. В этом случае хороший способ получения 40В из 50В — это использовать так называемый понижающий чоппер (прерыватель).

ШИМ сигнал, генерируемый чеппером, поступает на силовой узел схемы (тиристор, полевой транзистор), который в свою очередь управляет нагрузкой. Этот ШИМ-сигнал может легко генерироваться микроконтроллером, имеющим таймер.

Требования к ШИМ-сигналу для получения с помощью тиристора 40В из 50В: подача питания, на время = 400мс и выключение на время = 100мс (с учетом периода ШИМ сигнала равного 500 мс).

В общих словах это можно легко объяснить следующим образом: в основном, тиристор работает как переключатель. Нагрузка получает напряжение питания от источника через тиристор. Когда тиристор находится в выключенном состоянии, нагрузка не подключена к источнику, а когда тиристор находится в открытом состоянии, нагрузка подключается к источнику.

Этот процесс включения и выключения тиристора осуществляется посредством ШИМ сигнала.

Соотношение периода ШИМ-сигнала к его длительности называется скважность сигнала, а обратная к скважности величина именуется коэффициентом заполнения.

Если коэффициент заполнения равен 100, то в этом случае у нас сигнал постоянный.

Таким образом, скважность импульсов (рабочий цикл) может быть вычислен с использованием следующей формулы:

Используя выше приведенные формулы, мы можем рассчитать время включения тиристора для получения необходимого нам напряжения.

Умножая скважность импульсов на 100, мы можем представить это в процентном соотношении. Таким образом, процент скважность импульсов прямо пропорционален величине напряжения от исходного. В приведенном выше примере, если мы хотим получить 40 вольт от 50 вольт источника питания, то это может быть достигнуто путем генерации сигнала со скважность 80%. Поскольку 80% из 50 вместо 40.

Для закрепления материала, решим следующую задачу:

• рассчитаем длительность включения и выключения сигнала, имеющего частоту 50 Гц и скважность 60%.

Полученный ШИМ волны будет иметь следующий вид:

Один из лучших примеров применения широтно-импульсной модуляции является использование ШИМ для регулировки скорости двигателя или яркости свечения светодиода.

Этот прием изменения ширины импульса, чтобы получить необходимый рабочий цикл называется “широтно-импульсная модуляция”.

источник: www.circuitstoday.com

fornk.ru

Широтно-импульсная модуляция — Википедия

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте. Различают аналоговую ШИМ и цифровую ШИМ, двоичную (двухуровневую) ШИМ и троичную (трёхуровневую) ШИМ^[1].

Причины распространения ШИМ

Основной причиной применения ШИМ является стремление к повышению КПД при построении вторичных источников питания электронной аппаратуры и в других узлах, например, ШИМ используется для регулировки яркости подсветки LCD-мониторов и дисплеев в телефонах, КПК и т.п..

Тепловая мощность, выделяемая на ключе при ШИМ

В ШИМ в качестве ключевых элементов использует транзисторы (могут быть применены и др. полупроводниковые приборы) не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность, выделяемая в ключе, значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной.

1. Rtr→∞↔P=U2R→0{\displaystyle R_{tr}\rightarrow \infty \leftrightarrow P={{\frac {{U}^{2}}{R}}\rightarrow 0}}

2. Rtr→0↔P=I2R→0{\displaystyle R_{tr}\rightarrow 0\leftrightarrow P={I}^{2}R\rightarrow 0}

Принцип работы ШИМ

Аналоговая ШИМ

ШИМ-сигнал генерируется аналоговым компаратором, на один вход (по рисунку — на инвертирующий вход компаратора) которого подаётся вспомогательный опорный пилообразный или треугольный сигнал, значительно большей частоты, чем частота модулирующего сигнала, а на другой — модулирующий непрерывный аналоговый сигнал. Частота повторения выходных импульсов ШИМ равна частоте пилообразного или треугольного напряжения. В ту часть периода пилообразного напряжения, когда сигнал на инвертирующем входе компаратора выше сигнала на неинвертирующем входе, куда подается модулирующий сигнал, на выходе получается отрицательное напряжение, в другой части периода, когда сигнал на инвертирующем входе компаратора ниже сигнала на неинвертирующем входе — будет положительное напряжение^[2].

Аналоговая ШИМ реализуется с помощью компаратора, на один вход которого подаются треугольный или пилообразный периодический сигнал со вспомогательного генератора, а на другой — модулирующий сигнал. На выходе компаратора образуются периодические прямоугольные импульсы с переменной шириной, скважность которых изменяется по закону модулирующего сигнала, а частота равна частоте треугольного или пилообразного сигнала и обычно постоянна.

Аналоговая ШИМ применяется в усилителях низкой частоты класса «D».

Цифровая ШИМ

В двоичной цифровой технике, выходы в которой могут принимать только одно из двух значений, приближение желаемого среднего уровня выхода при помощи ШИМ является совершенно естественным. Схема настолько же проста: пилообразный сигнал генерируется N-битным счётчиком. Цифровые устройства (ЦШИП) работают на фиксированной частоте, обычно намного превышающей реакцию управляемых установок (передискретизация). В периоды между фронтами тактовых импульсов выход ЦШИП остаётся стабильным, на нём действует либо низкий уровень, либо высокий, в зависимости от выхода цифрового компаратора, сравнивающего значение счётчика с уровнем приближаемого цифрового сигнала V(n). Выход за много тактов можно трактовать как череду импульсов с двумя возможными значениями 0 и 1, сменяющими друг друга каждый такт T. Частота появления единичных импульсов получается пропорциональной уровню приближаемого сигнала ~V(n). Единицы, следующие одна за другой, формируют контур одного, более широкого импульса. Длительности полученных импульсов переменной ширины ~V(n) кратны периоду тактирования T, а частота равна 1/(T*2^N). Низкая частота означает длительные, относительно T, периоды постоянства сигнала одного уровня, что даёт невысокую равномерность распределения импульсов.

Описанная цифровая схема генерации подпадает под определение однобитной (двухуровневой) импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). 1-битную ИКМ можно рассматривать в терминах ШИМ как серию импульсов частотой 1/T и шириной 0 либо T. Добиться усреднения за менее короткий промежуток времени позволяет имеющаяся передискретизация. Высоким качеством обладает такая разновидность однобитной ИКМ, как импульсно-плотностная модуляция (англ.)русск., которая ещё именуется импульсно-частотной модуляцией.

Восстанавливается непрерывный аналоговый сигнал арифметическим усреднением импульсов за много периодов при помощи простейшего фильтра низких частот. Хотя обычно даже этого не требуется, так как электромеханические составляющие привода обладают индуктивностью, а объект управления (ОУ) — инерцией, импульсы с выхода ШИМ сглаживаются и ОУ, при достаточной частоте ШИМ-сигнала, ведёт себя как при управлении обычным аналоговым сигналом.

В цифровой ШИМ период делится на части, которые заполняются прямоугольными подымпульсами. Средняя величина за период зависит от количества прямоугольных подымпульсов. Цифровая ШИМ — приближение бинарного сигнала (с двумя уровнями — вкл/выкл) к многоуровневому или непрерывному сигналу так, чтобы их средние значения за период времени t2−t1{\displaystyle t_{2}-t_{1}} были бы приблизительно равны.

Формально это можно записать так:

∫t1t2x(t)dtt2−t1=∑i=1nA∗ΔTit2−t1,{\displaystyle {\int _{t_{1}}^{t_{2}}{x(t)\,dt} \over {t_{2}-t_{1}}}={\sum _{i=1}^{n}{A*\Delta T_{i}} \over {t_{2}-t_{1}}},}

где x(t){\displaystyle x(t)} — входной сигнал в пределах от t₁ до t₂, а ΔTi=t2−t1n{\displaystyle \Delta T_{i}={\frac {t_{2}-t_{1}}{n}}} — продолжительность i -го ШИМ подымпульса, каждого с амплитудой A. n выбирается таким образом, чтобы за период разность суммарных площадей (энергий) обеих величин была меньше допустимой:

∫t1t2x(t)dt−∑i=1nA∗ΔTi<E{\displaystyle \int _{t_{1}}^{t_{2}}{x(t)\,dt}-\sum _{i=1}^{n}{A*\Delta T_{i}}<E}.

Управляемыми «уровнями», как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/ или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x(t) = U_const стабилизации.

В цифровой ШИМ прямоугольные подымпульсы, заполняющие период, могут стоять в любом месте периода, на среднюю величину за период влияет только их количество. Например, при разбиении периода на 8 частей последовательности 11110000, 11101000, 11100100, 11100010, 11100001 и др. дают одинаковую среднюю за период величину, но отдельно стоящие «1» ухудшают режим работы ключа (транзистора).

В качестве ШИМ можно использовать даже COM-порт. Так как 0 передаётся как 0 0000 0000 1 (8 бит данных + старт/стоп), а 255 как 0 1111 1111 1, то диапазон выходных напряжений — 10-90 % с шагом в 10 %.

См. также

Примечания

Ссылки

wikipedia.green

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) | Электронные печеньки

Что такое ШИМ?

В описании плат Arduino часто встречается аббревиатура ШИМ. За этой аббревиатурой скрывается термин широтно-импульсная модуляция (в английском варианте PWM — pulse-width modulation).

Широтно-Импульсная модуляция, или ШИМ, – это управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов.

По простому: ШИМ – это возможность быстро-быстро включать и выключать ток на выводе. Эти «колебания» усредняются, и получается меняющееся напряжение. Например, если мы запустим ШИМ с напряжением в 5 В и время, когда питание подаётся на вывод будет равняться времени, когда вывод выключен, то мы получим напряжение на выводе 2,5 В (половину от пяти вольт). Кстати, соотношение времени подачи напряжения и отключения вывода называют скважностью. Регулируя скважность, можно получать разные значения напряжения на выходе.

Изменение напряжения в зависимости от скважности ШИМ

Для чего же применяется ШИМ в проектах на основе Arduino? Электронную аппаратуру сложно обеспечить произвольным напряжением (более низким, чем входное). Использование делителя напряжения иногда невозможно из-за низкого КДП или сложности применения. Выводы ШИМ Arduino основаны на транзисторной схеме, они весьма энергоэффективны и просты в применении.

С помощью ШИМ-выводов можно управлять яркостью светодиодов, скоростью вращения моторов, и многим другим.

uscr.ru