6.3.Задание на проведение исследований

1.Установите на лабораторный стенд накладку лабораторной работы №6 (см. Рис. 97), включите питание и запустите на стенде лабораторную работу №6, обозначенную в меню как «Цифровой ШИМ». Для этого при помощи кнопок «►» и «◄» выберите нужный пункт в меню,

азатем при помощи кнопки « » запустите процесс загрузки файла с конфигурацией в память ПЛИС. Убедитесь в том, что стенд включил индикатор «Работа», а дисплей стенда выводит сообщение «Работа выполняется».

Рис. 97. Накладка «Работа №6. Цифровой широтно-импульсный модулятор»

2. Соберите схему 4-разрядного широтно-импульсного модулятора (ШИМ), показанную на Рис. 98. При сборке уделите особое внимание цепи CLK. Рекомендуется подключать все три счетчика напрямую к выходу DD1 отдельными как можно более короткими монтажными проводами.

Как видно, схема тактируется от мультивибратора, собранного на DD1, R1, C1. Его частота составляет, приблизительно, 1 кГц. Конденсатор С2 потребуется для экспериментов, и изначально не должен быть подключен к схеме мультивибратора. При сборке схемы лишь подключите его нижнюю обкладку к земле и заготовьте короткий монтажный провод, чтобы временно подключать его параллельно С1.

Обратите внимание на то, что входы асинхронного сброса ̅̅̅̅ всех счетчиков, а также вход

Е разрешения работы счетчика DD3 подтянуты к питанию резисторами, встроенными в ПЛИС (на схеме не показаны), и функциональные узлы воспринимают их, как лог. «1». Это позволяет никуда не подключать данные входы, сохраняя работоспособность схемы. Синхронный счетчик DD3 работает, таким образом, постоянно. Его выходное, опорное для модулятора, число А[3..0] изменяется с каждым тактом в сторону увеличения, а достигнув значения 1510, превращается в 0.

Счетчик DD2, конструкция которого подробно описана в разделе теоретических сведений, является универсальным делителем частоты. На его выходах F8…F256 формируются сигналы частотой в 8…256 раз ниже, чем тактовая, а длительность импульса данных сигналов составляет 1 такт или примерно 1 мс. Выходная цепь CKE (от англ. «Clock Enable») данного счетчика разрешает, совместно с другими сигналами, работу счетчика, вырабатывающего пороговое число модулятора B[3..0], и не чаще, чем раз в установленное число тактов основного генератора. Какой именно выход DD2 следует подключить к CKE, предстоит выбрать самостоятельно.

— 85 —

Реверсивный счетчик DD4 работает только при E = 1 и считает на инкремент при подаче на вход DIR (от англ. Direction) лог. «1», а при E = 1 и DIR = 0 счет осуществляется, соответственно, на декремент.

Как видно из схемы, число B[3..0] по каждому импульсу CKE автоматически увеличивается при нажатии кнопки SA2 и уменьшается – по нажатию SA1. Это происходит, однако, только если nMIN = nMAX = 1. Когда число в счетчике DD4 достигает значения 0, в активный уровень лог. «0» устанавливается его выходе ̅̅̅̅̅̅. Благодаря цепи nMIN и ЛЭ DD6 это блокирует работу кнопки SA1 и переполнения через ноль счетчика не происходит. То же касается цепи nMAX, кнопки SA2 и ЛЭ DD7, которые не позволяют счетчику переполниться через 1510.

ЛЭ DD8 разрешает счетчику работу по любому из сигналов на выходах DD6,7, а направлением счета на инкремент управляет, естественно, только кнопка SA2.

Рис. 98. Цифровой 4-разрядный широтно-импульсный модулятор

Таким образом, удерживая кнопки SA1 или SA2, можно автоматически уменьшать и увеличивать число B[3..0] в пределах 0…1510, а происходит это автоматическое изменение с частотой следования импульсов разрешения сигнала CKE. Данную частоту Вам предстоит выбрать самостоятельно, выполнив соединение цепи CKE с одним из выходов DD2. Рекомендуемые величины – 1/64 кГц ( 15 Гц), 1/64 кГц ( 8 Гц), 1/256 кГц ( 4 Гц). При сборке схемы предварительно подключите CKE к выходу F64.

Компаратор DD5, конструкция которого описана выше, сравнивает 4-разрядные числа A и B. На его выходе A<B единица присутствует, пока, соответственно, число B превышает растущее от 0 до 1510 число А. Очевидно, что чем больше B, тем дольше такие интервалы времени. Так ширина импульсов цепи PWM (от англ. Pulse Width Modulation) оказывается в прямой пропорциональной зависимости от числа В. Частота следования импульсов, называемая несущей частотой ШИМ, фиксирована и равна тактовой частоте, деленной на 16 счетчиком DD3 (приблизительно 60 Гц).

— 86 —

ЛЭ DD9-10 являются буферными и используются, т.к. данный ЛЭ типа 74HC14 имеет несколько большую нагрузочную способность, нежели выходы ПЛИС.

Цепь R2-C3 представляет собой ФНЧ с постоянной времени, значительно превышающей период сигнала в цепи PWM. За период сигнала PWM конденсатор успевает лишь слегка разрядиться и зарядиться, так что амплитуда переменной составляющей напряжения на нем много меньше напряжения питания, а постоянная составляющая данного напряжения оказывается пропорциональна коэффициенту заполнения сигнала PWM (и, естественно, напряжению логической единицы в цепи PWM, примерно равному напряжению питания).

3.Подключите канал №1 осциллографа к цепи PWM, канал №2 к цепи VOUT, включите синхронизацию по каналу 1 и масштаб по оси времени порядка 5-10 мс в клетке. Масштаб по оси Y для канала №1 должен составлять 2 В в клетке, для канала №2 – 1 В в клетке. Нажимая кнопки

SA1,2, убедитесь, что: число на индикаторе HG1 меняется в диапазоне 0…F16; коэффициент заполнения сигнала PWM проходит значения 0…15/16; яркость линейки светодиодов, имитирующей осветительный прибор, меняется от нуля до максимума.

4.Переставляя цепь CKE на различные выходы DD2, выберите конкретный выход, при использовании которого, с Вашей точки зрения, регулировка яркости наиболее комфортна и Вам удобно выставить любое желаемое число на индикаторе. Внесите имя выбранного выхода в протокол наблюдений.

5.Используя функции осциллографа для измерения фиксированного периода и меняющих длительности импульса сигнала канала №1 и напряжения в канале №2, снимите зависимости длительности импульса в цепи PWM и напряжения U в цепи VOUT от числа B. При составлении отчета рассчитайте для каждого числа B коэффициент заполнения выходного ШИМсигнала и постройте графики зависимостей D(B) и U(В). Сравните их с теоретически рассчитанными зависимостями, графики которых также следует построить.

6.Установив при помощи кнопок B = 1, временно подключите к схеме генератора тактовых импульсов конденсатор С2, снизив частоту тактового генератора примерно в 50 раз. Пронаблюдайте происходящее с линейкой светодиодов. Отключите C2, при помощи кнопок установите B = F16, вновь подключите C2, повторите наблюдения. В отчете отразите Ваши соображения относительно того, какие обстоятельства позволяют ШИМ-модулятору регулировать яркость свечения светодиодов при помощи чисто цифрового выхода схемы, на котором напряжения могут принимать лишь два значения – логические ноль и единицу. Отключите конденсатор С2.

7.Переведите осциллограф в режим самописца (масштаб по оси времени – порядка 1-3 секунд). Поочередно удерживая кнопки SA1,2, получите осциллограмму линейно увеличивающегося и уменьшающегося напряжения U цепи VOUT. Сфотографируйте полученную осциллограмму и внесите ее в отчет по лабораторной работе.

— 87 —