11. Модуляция и разновидности модулированных сигналов. Общие сведения о модуляции. Широтно-импульсная модуляция. Модуляция и разновидности модулированных сигналов. Общие сведения о модуляции.

Модуляция — это процесс преобразования одного или нескольких информационных параметров несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями информационного сигнала. Модуляция осуществляется в устройствах модуляторах. Условное графическое обозначение модулятора представлено на рисунке.

При модуляции на вход модулятора подаются сигналы:

- u(t) – модулирующий, данный сигнал является информационным и низкочастотным;

- s(t) – модулируемый (несущий), данный сигнал является неинформационным и высокочастотным;

- f(t) – модулированный сигнал, данный сигнал является информационным и высокочастотным.

В качестве несущего сигнала может использоваться:

• гармоническое колебание, при этом модуляция называется аналоговой или непрерывной;

• периодическая последовательность импульсов, при этом модуляция называется импульсной;

• постоянный ток, при этом модуляция называется шумоподобной.

Так как в процессе модуляции изменяются информационные параметры несущего колебания, то название вида модуляции зависит от изменяемого параметра этого колебания.

Виды аналоговой модуляции:

• амплитудная модуляция (АМ), происходит изменение амплитуды несущего колебания;

• частотная модуляция (ЧМ), происходит изменение частоты несущего колебания;

• фазовая модуляция (ФМ), происходит изменение фазы несущего колебания.

Виды импульсной модуляции:

• амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;

• частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;

• фазо-импульсная модуляция (ФИМ), происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;

• широтно-импульсная модуляция (ШИМ), происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.

Широтно-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция (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.

Скважность – безразмерная величина, один из классификационных признаков импульсных систем, определяющий отношение его периода следования (повторения) к длительности импульса. Часто используется величина, обратная скважности, которая называется коэффициент заполнения (англ. duty cycle).

Таким образом, для импульсного сигнала справедливо соотношение (1), где S – скважность, D – коэффициент заполнения, T – период импульсов, τ - длительность импульса.

Рассмотрим несколько сценариев при напряжении питания Vcc равным 5 вольтам.

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.

Также возможно осуществить модуляцию синусоидального сигнала.

Реализация ШИМ в среде Simulink.

Однофазный инвертер в среде Simulink на основе IGBT транзисторов

Реализация ШИМ в среде Simulink

Создание «Dead zone»

Временные диаграммы, поясняющие работу схемы управления инвертером