Принципы построения ШИМ – контроллеров

Задание курсовой работы

Вариант № 3

«Цифровой ШИМ - контроллер»

Исходные данные и основные требования:

Основные технические параметры:

а) Частота ШИМ - сигнала 400 Гц

б) Количество градаций ШИМ - сигнала 16

в) ШИМ - контроллер на основе вычитающего счётчика TTL/74ХХ

д) ШИМ - контроллер разработать на микросхемах TTL/74ХХ серии SN74. Провести отработку основных блоков контроллера на логических элементах – Logic Gates (Ideal) и на D-триггерах (Ideal), составить схемы блоков контроллера на реальных TTL ИС – 4-ЛЭ и 2-D триггера в корпусе заданной серии.

г) Подготовить заказные микросхемы на основные блоки контроллера - генератор тактовых импульсов, делитель частоты и основной блок.

Основные требования:

Составить структурную и принципиальную схемы котроллера, провести отработку отдельных блоков в программной среде EWB, провести обоснованный выбор необходимых микросхем.

Представить принципиальную электрическую схему ШИМ - контроллера.

Цифровой ШИМ – контроллер

ШИМ (широтно-импульсная модуляция), англ. PWM— pulse width modulation. ШИМ - это цифровой сигнал, с помощью которого можно задать и управлять в широких пределах уровнем аналогового сигнала с помощью ключей.

Рис.1. Временная диаграмма ШИМ

.
Это особенно важно в мощных регуляторах с высоким КПД, так как на ключах рассеивается минимальная мощность только в момент переключения.

На рис.1 приведена временная диаграмма ШИМ с постоянной скважностью. На одном периоде укладывается один единичный импульс шириной T1 и один нулевой импульс шириной T0. При этом T=T1+T0=const. Период ШИМ -.T, а, следовательно, частота следования импульсов F=1/Т - величина постоянная. Коэффициент ШИМ G - это и есть эквивалент амплитуды аналогового сигнала: G=T1/T (0 £ G£ 1). Изменением длительности импульса Т1 можно регулировать средний уровень напряжения: если уровень максимального сигнала ШИМ U_m=Еп, то подав сигнал ШИМ на фильтр напряжения, на выходе фильтра можно получить аналоговое напряжение U=U_m×G.

В некоторых случаях применение фильтра необязательно – например, при регулировании тока для управления яркостью свечения накала лампы, скорости вращения двигателя, так как у них есть некоторая постоянная времени, и если период ШИМ меньше этой постоянной, то мерцания или вибрации двигателя не будет. Но в некоторых случаях без фильтра не обойтись. Естественно, чем меньше период ШИМ, тем "глаже" будет аналоговый сигнал, но уменьшение периода ведёт к тому, что увеличивается дискретность регулирования скважности, растет частота следования импульсов F и, соответственно, растут потери мощности на ключах, снижается КПД.

Преобразователи аналогового сигнала в ШИМ импульсы получили название ШИМ - модуляторов, так как они используются широко в кодово-импульсной связи, простейших устройствах автоматики. Преобразователи двоичного кода в ШИМ импульсы получили особое распространение с развитием микропроцессорной техники, являются встроенными устройствами большинства современных микроконтроллеров. В литературе получили название ШИМ - контроллеры.

У аналогово-цифровых ШИМ - модуляторов и цифровых ШИМ - контроллеров много общего (см. рис. 2). Генератор синхронизирующих импульсов задает период (Т) и частоту следования импульсов ШИМ (F=1/Т). Формирователь пилообразного сигнала генерирует линейно изменяющийся сигнал. Устройство сравнения фиксирует момент времени, когда линейно изменяющийся сигнал достигнет уровня управляющего сигнала Uo. На выходе формируется импульсный сигнал от начала временной развертки до момента равенства. В ШИМ - модуляторах управляющий сигнал аналоговый, в ШИМ - контроллерах - цифровой. Это определяет конкретную схемотехнику (аналоговую или цифровую) генератора пилообразного сигнала и схемы сравнения.

Рис.2 Структурная схема ШИМ преобразования

От уровня управляющего сигнала Uo зависит длительность цифрового импульса ШИМ – Т1 и, соответственно, коэффициент ШИМ G. Критерием качества ШИМ - преобразователя является коэффициент нелинейности d% зависимости G от управляющего сигнала U.

,

где и - крутизна преобразования в начале и в конце характеристики

Принципы построения ШИМ – контроллеров

ШИМ контроллеры с цифровым управлением выполняются на счетчиках, которые, последовательно считая импульсы синхронизации, выдают на выходе линейно изменяющийся код, нарастающий или убывающий – в зависимости от режима счета суммирующего или вычитающего. Цифровой компаратор сравнивает входной управляющий код с кодом счетчика и формирует ШИМ импульс в соответствии с функциональной схемой (рис.2). Точность преобразования определяется разрядностью счетчика.