КР2 / КР2 (Влада)

2. Широтно-импульсная модуляция. Понятие широтно-

импульсной модуляции. Различные режимы широтно-импульсной модуляции. Режим быстрый ШИМ (Fast PWM). ШИМ без фазового сдвига (Phase Correct PWM).

Понятие ШИМ.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) (Pulse-width modulation - PWM) – приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам с двумя фиксированными уровнями – ноль или единица, так чтобы их значения за некоторый промежуток времени в среднем были равны.

Формально этот процесс можно записать в следующем виде:

где x(t) – желаемый входной сигнал в пределе от t1 до t2, ∆Ti –

продолжительность i -го ШИМ-импульса с амплитудой A; ∆Ti подбирается таким образом, чтобы суммарные площади (энергии) обеих величин были приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени.

Для наших МК: простой и эффективный способ задания аналогового сигнала цифровым методом (по сути, даёт нам возможность сделать простое подобие ЦАП, который не входит в состав периферии 8-битных

AVR МК, за исключением семейства XMega).

В аналоговом варианте преобразование синусоидального сигнала в ШИМ-последовательность и обратно схематически выглядит так:

•на один из входов компаратора подается исследуемый аналоговый сигнал Uвх

•на другой – сигнал опорной частоты Fоп, имеющий треугольную форму (рис. 4)

11

• при совпадении уровней двух сигналов на входах компаратора его выход переключается, формируя в результате последовательность,

состоящую из прямоугольных импульсов с несущей частотой Fоп, в

длительности которых закодирован уровень исходного аналогового сигнала

(т. е. его амплитуда)

• если далее требуется получить исходный аналоговый сигнал, эту последовательность необходимо пропустить через фильтр нижних частот,

чтобы отфильтровать опорную частоту и получить исходную синусоиду

В приведённом примере в качестве фильтра нижних частот используется обычная интегрирующая RC-цепочка (для получения более точных результатов преобразования необходимо использовать фильтр более высокого порядка, желательно на операционных усилителях).

Рис. 4. Принцип работы ШИМ-преобразователя При использовании ШИМ мы передаём на выход сигнал, состоящий из

высоких и низких логических уровней, то есть нулей и единиц. Затем эта последовательность пропускается через интегрирующую цепочку. В

результате интегрирования на выходе будет величина напряжения, равная площади под импульсами.

Меняя скважность сигнала (т. е. отношение длительности периода к длительности импульса) ШИМ-последовательности, можно плавно менять эту площадь, а значит и напряжение на выходе (рис. 5).

12

Рис. 5. Принцип ШИМ-преобразования

Во всех контроллерах семейства AVR режим широтно-импульсной модуляции достаточно легко реализовать с помощью таймеров.

13

Модуль для Attiny2313

Различные режимы широтно-импульсной модуляции.

Режим Fast PWM

В этом режиме таймер микроконтроллера считает от 0 до 255, после достижения переполнения счетный регистр сбрасывается в 0, и счет начинается снова (рис. 6). Когда значение в счетчике достигает значения,

записанного заранее в регистр сравнения, то соответствующий ему вывод ОСхn сбрасывается в 0. При обнулении счетчика этот вывод устанавливается в 1.

В общем случае частота fшим на выходе ОСхn микроконтроллера в режиме быстрой модуляции составляет:

где Ftcx – тактовая частота таймера, полученная путем деления тактовой частоты нашего МК на коэффициент деления N, задаваемый с помощью соответствующих разрядов регистра управления TCCRnB.

14

Рис. 6. Формирование ШИМ-сигнала в режиме быстрой модуляции.

Как это выглядит на практике

У таймера T1 есть два особых регистра сравнения OCR1A и OCR1B.

Когда значение в счётном регистре таймера достигает значения,

находящегося в регистре сравнения, то могут возникнуть следующие аппаратные события:

•Прерывание по совпадению

•Изменение состояния внешнего выхода сравнения OC1A или OC1B

(выводы)

Предположим, что мы настроили наш ШИМ генератор таким образом, чтобы в момент времени, когда значение в счетном регистре

TCNT1 больше, чем в регистре сравнения, то на выходе у нас была логическая 1, а когда меньше, то 0. Что при этом произойдет? Таймер будет считать как ему и положено, от 0 до 255, с той частотой, которую мы настроим при помощи системы предделителя. После переполнения таймер сбрасывается в 0 и счёт продолжается заново. На выходе имеем прямоугольные импульсы. Если мы попробуем увеличить значение в регистре сравнения, то ширина импульсов станет уже (рис. 7).

15

Рис. 7. Изменение ширины импульсов Теперь, меняя значение в регистре сравнения, можно менять

скважность выходного ШИМ сигнала. А если пропустить этот ШИМ сигнал через сглаживающую RC цепочку (интегратор), то получим аналоговый сигнал.

ШИМ с корректной фазой

Phase Correct PWM - ШИМ с корректной (или точной) фазой (более продвинутый режим). В данном случае 16-разрядный счетчик (в 8-битном таймере данный режим недоступен) работает как реверсивный. При этом он непрерывно считает сначала от 0 до max значения модуля счета (который определяется либо заданной разрядностью, либо содержимым режима захвата), затем обратно до 0. При достижении 0 счет опять начинается в сторону увеличения, далее цикл повторяется. Вывод OCxn при первом совпадении сбрасывается в 0, при втором устанавливается обратно в 1 (рис.

8). Частота ШИМ при этом падает вдвое вследствие увеличения периода.

16

Рис. 8. Сравнение режимов работы ШИМ Рассмотрим поподробнее регистры, ответственные за реализацию

битами WGM02 и WGM03, которые находятся в регистре TCCR0B) задают

режим работы генератора.

17

(На всякий случай вырезка управляющих регистров из даташита на

Attiny2313) + сайт, где для 2313 расписаны все эти штуки прям хорошо

Програмирование в AVR Studio 5 с самого начала. Часть 8 » Журнал практической электроники Датагор (Datagor Practical Electronics Magazine)

3. Цифро-аналоговые преобразователи. Структурная схема ЦАП.

Параллельная схема суммирования токов. Последовательная схема

суммирования токов.

Микросхемы ЦАП классифицируются по следующим признакам:

18

Структурная схема ЦАП (с суммированием токов)

UВЫХ = – IВХ*RОС

IВХ = d0*I0 + d1*2I0 + d2*4I0 + … + dn*2n*I0 , где d0, d1, … , dn – значение n-

го разряда (0 или 1)

Схема: Имеем n-ое количество источников тока, каждый из которых соответствует текущему разряду. Каждый следующий, выдает ток, в 2 раза больше предыдущего (от разряда к разряду).

Далее ток суммируется и преобразуются в выходное напряжение

(трансимпедансный усилитель)

d0, d1, … , dn – состояния разрядов. «0» если ключ разомкнут, тогда источник тока не участвует в общей схеме. «1» если ключ разомкнут, ток будет вносить вклад в общий.

19

Параллельная схема суммирования тока

UВЫХ = – IВХ*RОС

IВХ = UОП * (d0/R + d1*2/R + d2*4/R + … + dn*2n/R)

Схема: Источник опорного напряжения и делитель напряжения.

Каждое последующее сопротивление меньше предыдущего в 2 раза (от

разряда к разряду.

Недостатки параллельной схемы:

•При высокой разрядности сопротивления резисторов должны быть согласованы с высокой точностью (нужно очень точно подбирать резисторы)

•Жесткие требования к резисторам старших разрядов, поскольку разброс тока в них не должен превышать тока младшего разряда

•Сопротивления весовых резисторов могут отличаться в тысячи раз,

что затруднят реализацию таких резисторов на кристалле ИС

• Сопротивления резисторов старших разрядов могут быть соизмеримы с сопротивлением замкнутого ключа, что повышает погрешность

В зависимости от состояния ключей, ток, который берется из источника опорного напряжения будет разным, а это влияет на погрешность.

20