Modulacja szerokości impulsu (PWM – Pulse Width Modulation) to metoda kodowania sygnału analogowego do pojedynczego bitu cyfrowego. Sygnał PWM składa się z dwóch głównych elementów, które określają jego zachowanie: cyklu pracy i częstotliwości.

Jest on wykorzystywany do transmisji informacji poprzez kodowanie wiadomości do sygnału impulsowego, do sterowania mocą urządzeń elektronicznych, takich jak silniki oraz jako główny algorytm ładowarek fotowoltaicznych baterii słonecznych.

Cykl pracy opisuje czas, przez jaki sygnał znajduje się w stanie wysokim (włączonym) jako procent całkowitego czasu potrzebnego do wykonania jednego cyklu (rysunek 1).

Rysunek 1. Cykl pracy

Rysunek 2 przedstawia ciągi impulsów przy cyklu pracy wynoszącym 0%, 25% i 100%.

Rysunek 2. Ciągi impulsów cyklu pracy przy 0%, 25% i 100%

Częstotliwość określa, jak szybko PWM wykonuje cykl, a tym samym jak szybko przełącza się między stanem wysokim a niskim.

Zmieniając sygnał cyfrowy w wystarczająco szybkim tempie i przy określonym cyklu pracy, wyjście będzie zachowywać się jak sygnał analogowy o stałym napięciu podczas zasilania urządzeń, które reagują znacznie wolniej niż częstotliwość PWM, takich jak głośniki audio, silniki elektryczne i siłowniki elektromagnetyczne.

Materiały potrzebne do ćwiczenia:

• Moduł aktywnego uczenia się ADALM2000
• Zestaw płytki prototypowej bez lutowania i przewodów połączeniowych
• Jeden wzmacniacz operacyjny OP97
• Jeden rezystor 1 kΩ
• Jeden potencjometr 10 kΩ

Modulacja szerokości impulsu — zasada działania

PWM to technika stosowana do generowania sygnałów wyjściowych o niskiej częstotliwości z impulsów o wysokiej częstotliwości. Dzięki szybkiemu przełączaniu napięcia wyjściowego ramienia falownika między górnym a dolnym napięciem szyny prądu stałego, sygnał wyjściowy o niskiej częstotliwości można traktować jako średnie napięcie w okresie przełączania.

Oprócz tego istnieje kilka innych sposobów generowania sygnałów modulowanych szerokością impulsu, w tym techniki analogowe, modulacja sigma-delta i bezpośrednia synteza cyfrowa.

Jedną z najprostszych metod generowania sygnału PWM jest porównanie dwóch sygnałów sterujących: sygnału nośnego i sygnału modulacyjnego. Jest to znane jako PWM oparte na nośnej. Sygnał nośny jest trójkątną falą o wysokiej częstotliwości (częstotliwości przełączania). Sygnał modulacyjny może mieć dowolny kształt.

Dzięki takiemu podejściu przebieg wyjściowy może być reprezentacją PWM dowolnego pożądanego kształtu przebiegu. W przypadku maszyn najczęściej spotykane są przebiegi sinusoidalne i trapezowe.

Rozważmy obwód przedstawiony na rysunku 3.

Rysunek 3. Zasada działania PWM

Zgodnie z opisem zasady działania PWM, używamy ujemnego wejścia wzmacniacza operacyjnego dla nośnej, a dodatniego wejścia dla sygnału modulacyjnego. W ten sposób wyższy sygnał modulacyjny spowoduje, że wyjście będzie miało wysoki poziom przez większą część okresu PWM.

Konfiguracja sprzętu

Zbuduj obwód płytki prototypowej dla PWM (rysunek 4).

Rysunek 4. Zasada działania PWM — obwód na płytce prototypowej

Procedura

Użyj pierwszego generatora przebiegu jako sygnału nośnego, dostarczającego do obwodu sygnał trójkątny o amplitudzie szczytowej 4 V, przesunięciu 2,5 V i częstotliwości 1 kHz. Użyj drugiego generatora przebiegu jako sygnału modulacyjnego o amplitudzie szczytowej 3 V, przesunięciu 2,5 V i częstotliwości 50 Hz.

Zasil wzmacniacz operacyjny napięciem +5 V z zasilacza. Skonfiguruj oscyloskop tak, aby sygnał wejściowy był wyświetlany na kanale 1, a sygnał wyjściowy na kanale 2.

Rysunek 5 przedstawia dwa kanały generatora sygnału zawierające dwa sygnały wejściowe (pomarańczowy — sygnał nośny; fioletowy — sygnał modulacyjny).

Rysunek 5. Sygnały wejściowe

Wykres sygnału wyjściowego na kanale 2 oscyloskopu przedstawiono na rysunku 6.

Rysunek 6. Wyjście PWM

Jeśli chwilowa wartość sygnału modulacyjnego jest większa niż sygnał nośny w danym momencie, wyjście będzie wysokie. Jeśli sygnał modulacyjny jest niższy niż sygnał nośny, wyjście będzie niskie.

Jeśli szczyt modulacji jest mniejszy niż szczyt sygnału nośnego, wyjście będzie wiernym odwzorowaniem sygnału modulacyjnego w postaci PWM.

Sterowanie szerokością impulsu za pomocą napięcia modulacji prądu stałego

Kontekst:

W tym konkretnym zastosowaniu użyjemy prostego wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji przełączającej (więcej szczegółów w sekcji „Wzmacniacz operacyjny jako komparator”) w celu zademonstrowania modulacji szerokości impulsu napięcia prądu stałego.

Rozważmy obwód przedstawiony na rysunku 7.

Rysunek 7. Regulacja szerokości impulsu za pomocą napięcia modulacyjnego prądu stałego

Obwód działa jako prosty komparator, w którym ujemne wejście wzmacniacza operacyjnego jest podłączone do przebiegu fali nośnej, natomiast dodatnie wejście działa jako napięcie progowe, które określa moment przejścia między wysokim a niskim napięciem wyjściowym. Potencjometr działa jako dzielnik napięcia dla napięcia odniesienia wejściowego, regulując napięcie progowe i pośrednio cykl pracy sygnału wyjściowego.

Konfiguracja sprzętu

Zbuduj obwód na płytce prototypowej do sterowania szerokością impulsu przy użyciu napięcia modulacji prądu stałego (rysunek 8).

Rysunek 8. Regulacja szerokości impulsu za pomocą napięcia modulacyjnego prądu stałego — obwód na płytce prototypowej

Procedura

Użyj pierwszego generatora przebiegu jako źródła VIN, aby dostarczyć do obwodu przebieg trójkątny o amplitudzie szczytowej 5 V i częstotliwości 1 kHz. Użyj drugiego generatora przebiegu jako źródła stałego napięcia o amplitudzie szczytowej 5 V. Podłącz wzmacniacz operacyjny do zasilania +5 V. Skonfiguruj oscyloskop tak, aby sygnał wejściowy był wyświetlany na kanale 1, a sygnał wyjściowy na kanale 2.

Animowany wykres przedstawiono na rysunku 9.

Rysunek 9. Regulacja szerokości impulsu za pomocą napięcia modulacyjnego prądu stałego — przebiegi falowe

Sygnał wyjściowy jest reprezentacją napięcia wejściowego w postaci PWM. Należy zauważyć, że wraz ze zmianą wartości potencjometru zmienia się cykl pracy sygnału, podczas gdy częstotliwość pozostaje stała.

Stałe PWM 50% z multibratorem niestabilnym

Kontekst

Rozważmy obwód przedstawiony na rysunku 10.

Rysunek 10. PWM z niestabilnym multiwibratorem

Obwód przedstawia niestabilny multiwibrator wykorzystujący pojedynczy wzmacniacz operacyjny. Jego działanie jest łatwe do zrozumienia, biorąc pod uwagę zasadę działania przerywacza Schmitta (obwód komparatora z histerezą omówiony w ćwiczeniu: Wzmacniacz operacyjny jako komparator): Wejście wyzwalacza Schmitta, które jest identyczne z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego, jest połączone z wyjściem obwodu za pomocą sieci rezystorowo-kondensatorowej. Gdy napięcie kondensatora (które jest również wejściem wyzwalacza Schmitta) jest niższe od dolnego progu, napięcie wyjściowe jest równe dodatniemu napięciu zasilania obwodu. Teraz kondensator jest ładowany przez rezystor R3, aż do osiągnięcia górnego progu wyzwalacza Schmitta. W rezultacie napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego jest doprowadzane do ujemnego napięcia zasilania. Teraz kondensator jest rozładowywany przez R3, aż napięcie na urządzeniu osiągnie dolny próg wyzwalacza Schmitta. Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego jest doprowadzane do dodatniego napięcia zasilania i cały proces rozpoczyna się od nowa.

Zaletą tego obwodu jest to, że nie wymaga on ADALM2000 do generowania nośnej (ale cykl pracy jest ustalony na 50%).

Konfiguracja sprzętu

Zbuduj obwód płytki prototypowej dla PWM z niestabilnym multiwibratorem (rysunek 11).

Rysunek 11. PWM z niestabilnym obwodem multibratora na płytce prototypowej

Procedura

Podłącz obwód do zasilania ±5 V. Skonfiguruj oscyloskop tak, aby sygnał wyjściowy był wyświetlany na kanale 1.

Wykres z sygnałem wyjściowym na kanale 1 oscyloskopu przedstawiono na rysunku 12.

Rysunek 12. PWM z niestabilnym przebiegiem wyjściowym multiwibratora

Należy pamiętać, że cykl pracy sygnału wyjściowego wynosi około 50%, podczas gdy wartości niskiego/wysokiego napięcia osiągają zazwyczaj wartości dodatnie/ujemne zasilania.

Dodatkowe zadanie

W poprzednim przykładzie wygenerowaliśmy stały cykl pracy PWM wynoszący 50% za pomocą niestabilnych multiwibratorów. Ale jak możemy dostosować cykl pracy? W tym celu musimy nieznacznie zmodyfikować obwód.

Rozważmy obwód przedstawiony na rysunku 13.

Rysunek 13. Regulacja cyklu pracy dla PWM za pomocą multiwibratora

Rezystor R3 na rysunku 10 został zastąpiony potencjometrem i dodano dwie diody. Teraz prąd ładowania kondensatora przepływa przez D1, a prąd rozładowania przepływa przez D2. W zależności od ustawienia potencjometru VR1, rezystancja prądu ładowania przepływającego przez górną gałąź obwodu różni się od rezystancji prądu rozładowania przepływającego przez dolną gałąź.

Konfiguracja sprzętu

Zbuduj obwód na płytce prototypowej do regulacji cyklu pracy PWM za pomocą multiwibratorów (rysunek 14).

Rysunek 14. Regulacja cyklu pracy dla PWM za pomocą obwodu multibibracyjnego na płytce prototypowej

Procedura

Podłącz obwód do zasilania ±5 V. Skonfiguruj oscyloskop tak, aby sygnał wyjściowy był wyświetlany na kanale 1, a napięcie na kondensatorze (na ujemnym wejściu wzmacniacza operacyjnego) było wyświetlane na kanale 2.

Zmieniaj wartość potencjometru i obserwuj zmianę cyklu pracy. Przykładowy wykres przedstawiono na rysunku 15.

Rysunek 15. Regulacja cyklu pracy dla PWM z niestabilnymi przebiegami multiwibratora

W tym przykładzie cykl pracy został ustawiony na około 25%. Za każdym razem, gdy cykl pracy ulega zmianie, nieuchronnie pojawia się niewielka zmiana częstotliwości przełączania, ponieważ dwie sieci sprzęgające na wejściu odwracającym i nieodwracającym są połączone z wyjściem wzmacniacza operacyjnego.

Pytanie

Czy możesz wymienić kilka praktycznych zastosowań w świecie rzeczywistym, w których skutecznie wykorzystuje się modulację szerokości impulsu?

Odpowiedź znajdziesz na blogu StudentZone.