Что такое ШИМ: широтно-импульсная модуляция

Инверторы, преобразователи, схемы SMPS и контроллеры скорости… Все эти схемы объединяет то, что они состоят из множества электронных переключателей внутри. Эти переключатели представляют собой не что иное, как силовые электронные устройства, такие как MOSFET, IGBT, TRIAC и т. Д. Для управления такими силовыми электронными переключателями мы обычно используем так называемые сигналы PWM (широтно-импульсная модуляция). Помимо этого, сигналы PWM также используются для управления серводвигателями, а также для других простых задач, таких как управление яркостью светодиода.

В нашей предыдущей статье мы узнали об АЦП, а АЦП используется для чтения аналоговых сигналов с помощью цифрового устройства, такого как микроконтроллер. ШИМ можно рассматривать как полную противоположность ему, ШИМ используется для создания аналоговых сигналов от цифрового устройства, такого как микроконтроллер. В этой статье мы узнаем о том, что такое сигналы ШИМ, ШИМ и некоторые параметры, связанные с ними, чтобы мы были уверены в их использовании в наших проектах.

Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция)?

ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция; мы рассмотрим причину такого названия позже. Но пока понимайте PWM как тип сигнала, который может быть произведен цифровой ИС, такой как микроконтроллер или таймер 555. Созданный таким образом сигнал будет иметь последовательность импульсов, и эти импульсы будут иметь форму прямоугольной волны. То есть в любой данный момент времени волна будет либо высокой, либо низкой. Для простоты понимания давайте рассмотрим сигнал ШИМ 5 В, в этом случае сигнал ШИМ будет либо 5 В (высокий), либо на уровне земли 0 В (низкий). Продолжительность, в течение которой сигнал остается на высоком уровне, называется « временем включения », а продолжительность, при которой сигнал остается на низком уровне, называется « временем выключения ».

Для сигнала ШИМ нам нужно посмотреть на два важных параметра, связанных с ним: один - это рабочий цикл ШИМ, а другой - частота ШИМ.

Рабочий цикл ШИМ

Как было сказано ранее, сигнал ШИМ остается включенным в течение определенного времени, а затем остается выключенным до конца этого периода. Что делает этот сигнал ШИМ особенным и более полезным, так это то, что мы можем установить, как долго он должен оставаться включенным, контролируя рабочий цикл сигнала ШИМ.

Процент времени, в течение которого сигнал ШИМ остается ВЫСОКИМ (по времени), называется рабочим циклом. Если сигнал всегда включен, это 100% рабочий цикл, а если он всегда выключен, это 0% рабочего цикла. Формулы для расчета рабочего цикла показаны ниже.

Рабочий цикл = время включения / (время включения + время выключения)

Следующее изображение представляет сигнал ШИМ с рабочим циклом 50%. Как видите, учитывая весь период времени (время включения + время выключения), сигнал ШИМ остается включенным только в течение 50% периода времени.

Частота = 1 / Период времени Период времени = Время включения + Время выключения

Обычно сигналы ШИМ, генерируемые микроконтроллером, составляют около 500 Гц, такие высокие частоты будут использоваться в высокоскоростных коммутационных устройствах, таких как инверторы или преобразователи. Но не все приложения требуют высокой частоты. Например, для управления серводвигателем нам необходимо генерировать сигналы ШИМ с частотой 50 Гц, поэтому частота сигнала ШИМ также может управляться программой для всех микроконтроллеров.

Некоторые часто возникающие вопросы по ШИМ

В чем разница между рабочим циклом и частотой сигнала ШИМ?

Часто путают рабочий цикл и частоту сигналов ШИМ. Как мы знаем, сигнал ШИМ представляет собой прямоугольную волну с определенным временем включения и выключения. Сумма этого на время и время выключения называется один период времени. Значение, обратное одному периоду времени, называется частотой. В то время как количество времени, в течение которого сигнал ШИМ должен оставаться включенным в один период времени, определяется рабочим циклом ШИМ.

Проще говоря, скорость включения и выключения сигнала ШИМ определяется частотой сигнала ШИМ, а на этой скорости, как долго сигнал ШИМ должен оставаться включенным, определяется рабочим циклом сигнала ШИМ.

Как преобразовать сигналы ШИМ в аналоговое напряжение?

Для простых приложений, таких как управление скоростью двигателя постоянного тока или регулировка яркости светодиода, нам необходимо преобразовать сигналы ШИМ в аналоговое напряжение. Это легко сделать с помощью RC-фильтра и обычно используется там, где требуется функция ЦАП. Схема для того же показана ниже

На приведенном выше графике желтый цвет - это сигнал ШИМ, а синий - выходное аналоговое напряжение. Значение резистора R1 и конденсатора C1 можно рассчитать на основе частоты сигнала ШИМ, но обычно используются резистор 5,7 кОм или 10 кОм и конденсатор 0,1 или 1 мк.

Как рассчитать выходное напряжение сигнала ШИМ?

Выходное напряжение ШИМ-сигнала после его преобразования в аналоговый будет в процентах от рабочего цикла. Например, если рабочее напряжение составляет 5 В, то сигнал ШИМ также будет иметь значение 5 В. В таком случае для 100% рабочего цикла выходное напряжение будет 5 В, для 50% рабочего цикла это будет 2,5 В.

Выходное напряжение = рабочий цикл (%) * 5

Примеры:

Ранее мы использовали ШИМ с различными микроконтроллерами во многих наших проектах:

• Широтно-импульсная модуляция с ATmega32
• ШИМ с Arduino Uno
• Генерация ШИМ с использованием PIC микроконтроллера
• Учебное пособие по Raspberry Pi PWM
• Управление сервомотором с Raspberry Pi
• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с использованием MSP430G2
• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) в STM32F103C8
• Управление сервомотором с Raspberry Pi
• Управление двигателем постоянного тока с Raspberry Pi
• Светодиодный диммер мощностью 1 Вт
• Светодиодный диммер на базе Arduino с использованием ШИМ

Далее проверьте все проекты, связанные с PWM здесь.