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 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 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%.

Фото генератора.

Что может этот генератор? Взглянем на параметры.

1. Рабочее напряжение: 3.3 - 30V;
2. Частота генерации: 1Hz - 150KHz;
3. Точность генерации частоты: 2%;
4. Мощность нагрузки: 5…30mА;
5. Амплитуда выходного сигнала равна напряжению питания;
6. Температура окружающей среды: -20 … +70 °С.

На дисплей можно вывести только 2 числа по 3 цифры в каждом. В нижней строке отображается скважность ШИМ в процентах, а в верхней – частота. Частота выводится на дисплей по следующим правилам:

• XXX, шаг в 1Гц, в диапазоне 1 – 999Гц;
• X.XX, шаг в 0.01кГц, в диапазоне 1.00 - 9.99кГц;
• XX.X, шаг в 0.1кГц; в диапазоне 10.0 - 99.9кГц;
• X.X.X, шаг в 1 кГц; в диапазоне 100 - 150 кГц.

Дисплей управляется микросхемой HT1621B, дисплей универсальный, на нем имеются символы, необходимые для построения термометра, гигрометра, вольтметра, амперметра и ваттметра, но в нашем случае они не используются. Дисплей имеет яркую синюю подсветку. К слову, замечу, что дисплей на моем генераторе оказался потертым, будто его откуда-то сняли.

Главной микросхемой генератора является микроконтроллер STM8S003F3P6. И поскольку этот микроконтроллер имеет EEPROM память, то настройки сохраняются при выключении.

Управлять генератором можно двумя способами: кнопками и по UART. С кнопками всё ясно, одна пара кнопок управляет частотой, вторая скважностью. А вот с UART всё намного интереснее. Обмен данными должен происходить со следующими параметрами:

• 9600 bps Data bits: 8
• Stop bit: 1
• Check digit: none
• Flow control: none

Для того, чтобы установить частоту генерации, необходимо отправить частоту так, как она отображается на дисплее прибавив перед значением частоты букву F. Например, для установки частоты в 100 Гц необходимо отправить F100, для 105 кГц - F1.0.5, для 10.5 кГц - F10.5 и так далее.

Для установки скважности необходимо отправить трехзначное число скважности добавив перед ним букву D . Например, D050, D100, D001.

Если отправлена верная команда, то генератор ответит DOWN, если ошибочная – FALL. Но есть одно НО, я так и не смог настроить работу с генератором через UART.

Я решил проверить генератор при помощи логического анализатора. Вот что получилось.

Частота 1 Гц, скважность 1%. Как видим погрешность пока небольшая.

Частота 1 Гц, скважность 50%.

Частота 1 Гц, скважность 99%.

Частота 1 кГц, скважность 1%.

Частота 1 кГц, скважность 50%.

Частота 1 кГц, скважность 99%. Тут мы видим, что при установленных 99% скважности на самом деле заполнение составляет 100%.

Частота 1 кГц, скважность 91%. Я начал снижать скважность, и вплоть до 92% заполнение составляло 100%, и только при 91% ситуация исправляется.

Частота 50 кГц, скважность 1%. Как видим что тут всего 0,2% вместо 1%.

Частота 50 кГц, скважность 50%. Здесь отличается на 1%.

Частота 50 кГц, скважность 99%. И тут снова отклонение -1%.

Частота 100 кГц, скважность 1%. А вот тут ещё ничего нет.

Частота 100 кГц, скважность 2%. А при 2% сигнал появляется, но на самом деле заполнение 0,4%.

Частота 100 кГц, скважность 50%. Отклонение почти -2%.

Частота 100 кГц, скважность 99%. И тут почти -1%.

Частота 150 кГц, скважность 1%. Снова нет сигнала.

Частота 150 Гц, скважность 3%. И появляется сигнал только при 3%, но заполнение составляет 0,6%.

Частота 150 кГц, скважность 50%. Но на самом деле заполнение 46,5%, на -3,5% уже отличие.

Частота 150 кГц, скважность 99%. И тут погрешность, но всего 1,5%.

Выборка достаточно грубая, но на этом исследования не закончены. Я решил измерить скважность при различном заполнении (шаг 5%) и на различных частотах (шаг 25000 Гц) и занести их в таблицу.

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)

На Рисунке 1 ширина импульса на выводе 3 модулируется управляющим напряжением V CONTROL , приложенным к выводу 5. Лабораторные измерения схемы были выполнены при напряжении питания 5 В. На Рисунках 2…5 показаны выходные ШИМ сигналы при трех различных управляющих напряжениях: 1 В, 2 В и 4 В. Конденсатор C1 заряжается напряжением источника питания V SUPPLY до уровня V CONTROL и разряжается от V CONTROL /2 до уровня земли. При отсутствии внешнего управляющего напряжения напряжение V CONTROL составляет 2/3 от V SUPPLY .

Представленные осциллограммы иллюстрируют влияние управляющего напряжения, приложенного к выводу 5, на изменения пороговых напряжений двух внутренних компараторов. В отсутствие управляющего напряжения (Рисунок 4) пороги заряда и разряда C1 определяются внутренней структурой таймера и составляют 1/3 и 2/3 от напряжения питания. Этими порогами, равноудаленными от напряжения питания и земли, устанавливается коэффициент заполнения равный 50%. При изменении управляющего напряжения изменяется время заряда C1, за которое напряжение на конденсаторе должно достичь V CONTROL , и время разряда, в течение которого напряжение спадает до V CONTROL /2. Этот процесс приводит к модуляции ширины выходного импульса.

Время заряда определяется формулой

R = R1,
C =C1.

Время разряда можно вычислить из выражения

Схема 2: генератор ШИМ с компаратором

Компаратор MAX998 включается согласно Рисунку 6.

Рисунок 6.	ШИМ генератор и компаратор.

Ширина выходного импульса модулируется под управлением напряжения, приложенного к R1. При напряжении питания 5 В были проведены лабораторные измерения, результаты которых представлены на Рисунках 7…9, демонстрирующих формы выходных сигналов ШИМ при управляющем напряжении, равном 1 В, 2 В и 4 В.

Приложенное к микросхеме MAX998 управляющее напряжение устанавливает пороговые напряжения, определяющие моменты начала заряда и разряда C1. Верхний порог равен

а нижнее пороговое напряжение равно V CONTROL /2.
Время заряда можно найти из формулы

Время разряда описывается выражением

R = R1,
C =C1.

Варианты ШИМ генераторов на двух микросхемах

Необходимо отметить, что управляющее напряжение в обеих схемах изменяет не только длительность импульсов, но и их частоту. Добавив в каждую из схем по одному компаратору, можно зафиксировать частоту выходных сигналов.

В Схеме 1 пилообразное напряжение с вывода 6 необходимо подать на вход второго компаратора. Это напряжение будет задавать коэффициент заполнения выходных импульсов постоянной частоты. Аналогично, в Схеме 2 на второй компаратор подается пилообразное напряжение с инвертирующего входа MAX998.