Аналого-цифровой преобразователь — назначение, классификация и принцип работы

Коэффициент заполнения

Одним из параметров любого прямоугольного сигнала является коэффициент заполнения. У большинства прямоугольных сигналов он составляет 50%, это нормально, но сигналы не обязательно должны быть симметричными. Время состояния «открыт» (включен) может варьироваться от полностью выключенного сигнала до полного включения, от 0% до 100%, и принимать любые значения во всем диапазоне.

Ниже показаны примеры коэффициента заполнения 10%, 50% и 90%. Хотя частоты у сигналов одинаковы, это не является обязательным требованием.

Рисунок 1 – Примеры ШИМ сигналов

Причина популярности ШИМ проста. У многих нагрузок, таких как резисторы, отклик (реакция) пропорционален потребляемой мощности. То есть преобразование между ними простое. Но, например, у светодиодов отклик (реакция) на ток очень не линейна, подав на светодиод половину его номинального тока, вы всё равно получите больше половины светового потока, который может излучать светодиод. С ШИМ уровень света, производимый светодиодом, очень линеен. Двигатели, о которых будет рассказано позже, также хорошо реагируют на ШИМ.

Одним из нескольких способов получения ШИМ сигнала является использование пилообразного сигнала и компаратора. Как показано ниже, пилообразный (или треугольный) сигнал не обязательно должен быть симметричным, но при этом важна линейность формы сигнала. Частота пилообразного сигнала соответствует частоте дискретизации сигнала.

Рисунок 2 – ШИМ модулятор. И почему симметричность наклонов формы сигнала не имеет значения.

Если не требуется никаких вычислений, то ШИМ может быть быстрым. Ограничивающим фактором является частотная характеристика компаратора. Это может не быть проблемой, так как в основных применениях используется довольно низкая скорость. Некоторые микроконтроллеры имеют встроенный ШИМ и могут записывать или создавать необходимые сигналы.

Область использования ШИМ довольно широка. ШИМ является сердцем усилителей класса D, где, увеличивая напряжение, вы увеличиваете максимальную выходную мощность, а частоту ШИМ выбираете за пределами человеческого слуха (обычно 44 кГц). Динамики не реагируют на высокие частоты, но повторяют низкие частоты, которые являются аудиосигналами. Для еще большей точности могут быть использованы более высокие частоты дискретизации, 100 кГц или более так же не слышны.

Рисунок 3 – Как аудиосигнал модулирует ШИМ сигнал

Еще одно популярное применение ШИМ – управление скоростью двигателя. Двигатели, как класс нагрузок, для работы требуют очень больших токов. Возможность изменять их скорость с помощью ШИМ значительно повышает эффективность всей системы. ШИМ более эффективны при управлении частотой вращения двигателя при низких оборотах, чем линейные методы.

Широтно-импульсные модуляторы в Ардуино

Чтобы использовать частотный ШИМ на Arduino Uno, нужно всего лишь установить один из ШИМ-выводов в качестве выхода, затем вызывать команду analogWrite и установить уровень. Частота установлена ​​примерно на 500 Гц, поэтому не нужно беспокоиться об этой части.

Мы выбираем контакт под номером 3, устанавливаем его, как output, и analogWrite значение для него. При выборе выхода у нас есть 256 уровней на выбор. Уровень рабочего цикла можно установить между номерами 0 и 255, где 0 – рабочий цикл 0 %, а 255 – 100 % рабочего цикла.

Последний вывод микроконтроллера на плате Arduino Uno составляет 5 В. Чтобы установить светодиод, который мы выбрали для полной яркости, нам необходимо подать напряжение 3,3 В и 15 мА тока. Для этого мы понижаем напряжение на резисторе 100 Ом.

H-мосты

ШИМ часто используется в сочетании с H-мостом. Эта схема названа так, потому что она напоминает букву H и позволяет удвоить эффективное напряжение на нагрузке, поскольку источник питания можно переключать в обе стороны от нагрузки. В случае индуктивных нагрузок, таких как двигатели, для подавления индуктивных пиков, способных повредить транзисторы, используются диоды. Индуктивность в двигателе также имеет тенденцию устранять высокочастотную составляющую сигнала. Данная схема также может использоваться с динамиками для аудиоусилителей класса D.

Несмотря на простоту, схема H-моста имеет один серьезный недостаток, при переходе между полевыми транзисторами возможен одновременный запуск обоих транзисторов сверху и снизу моста, что позволит полностью нагрузить блок питания. Это условие называется прострел (shoot through) и может возникнуть с любым типом транзисторов, используемых в H-мосте. Если источник питания достаточно мощный, транзисторы выйдут из строя. Поэтому перед транзисторами используются драйверы, которые запирают один транзистор перед тем, как открыть другой.

Рисунок 4 – Упрощенный H-мост

Диммер как разновидность ШИМ

Аналогично работает ШИМ и для нагрузки при переменном напряжении. Например, в диммерах. В них используется регулятор (на изображении ниже это VR), которым устанавливается так называемое опорное напряжение. С ним сравнивается напряжение, которое включает симистор. В зависимости от величины опорного напряжения отсекается часть полуволны напряжения, получаемого от сети 220 В. Свет лампы в результате управляется от нуля до максимума.


Принцип работы и схема диммера

На примере диммера понятно, что пауза перед включением тиристора является следствием относительно равномерного увеличения амплитуды синусоиды сетевого напряжения. Более сложные аналоговые и цифровые ШИМ работают со встроенным генератором пилообразного напряжения определенной частоты. Именно он определяет нарастание напряжения, с которым сравнивается управляемое ШИМ выходное напряжение.


Схема ШИМ с обозначением генератора пилообразного напряжения
Пилообразное напряжение от генератора на экране осциллографа

Аналоговые схемы ШИМ работают почти как диммеры. Разница лишь в том, что для формирования управляющих импульсов на основе пилообразного напряжения используется специальный операционный усилитель – компаратор. В цифровых ШИМ принцип работы совершенно другой. В них управляемое напряжение сначала преобразуется определенным образом, а затем ставится в зависимость от контролируемых импульсов, которые подсчитываются.

Примером такого ШИМ могут быть устройства с популярным микроконтроллером ARDUINO. Со временем аналогичных устройств становится все больше. Они заменяют громоздкие и тяжелые трансформаторы со стальными сердечниками. Это улучшает экономичность и материалоемкость электрооборудования. А также идет на пользу окружающей среде – уменьшается ее загрязнение. Так что ШИМ, бесспорно, является одним из выдающихся технических решений, успех которого неразрывно связан с достижениями научно-технической революции.

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

Принцип импульсного регулирования

Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.

Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.

Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:

Uср.н = Uип tи/T.

Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D

А величина, обратная ему называется скважностью:. S = 1/D = T/tи

S = 1/D = T/tи.

На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.

Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:

Uср.н = Uип∙D.

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Pср.н = Pип∙D.

О ШИМ более детально

ШИМ дает альтернативную возможность регулирования как при постоянном, так и при переменном напряжении. В любом случае элемент, реализующий его, – это аналог выключателя, который работает по специальному алгоритму

Если нагрузка неизменна, как, например, кипятильник или лампа накаливания, зависимость частоты коммутации, именуемая скважностью импульсов, привязана к среднему значению напряжения. Соответственна этому и мощность – как электрическая, так и тепловая

Однако, несмотря на универсальность и прочие положительные качества, ШИМ эффективен лишь при определенных минимальных характеристиках выключателя – того, что отрабатывает упомянутую скважность импульсов напряжения непосредственно на нагрузке. Напряжение на ней при коммутации изменяется не мгновенно

При замыкании цепи оно нарастает, а при отключении спадает в течение некоторого времени.

А поскольку в этих временных интервалах напряжение и ток приложены к выключателю, на нем выделяется некоторая мощность потерь (именуемых динамическими). Если интервалы слишком продолжительны, выделение тепла может быть опасным для работоспособности выключателя, и он получит необратимые повреждения. По этой причине выключатели, пригодные для большинства случаев, стали доступны лишь с появлением мощных быстродействующих полупроводниковых приборов.

Разновидности

ШИМ – схемы на лампах и реле при напряжениях электросети 220 В и выше – получались либо малоэффективными, либо вообще неработоспособными. Они могли нормально работать лишь при небольших напряжениях и токах. Современные схемы ШИМ, благодаря быстродействию и физическим принципам работы полупроводниковых ключей, стали основой вторичных источников питания. Среди них различают аналоговые и цифровые варианты.

Но в результате получается один и тот же результат – напряжение, регулируемое в заданных пределах. Нагляднее пояснить работу ШИМ при питании нагрузки постоянным напряжением. Например, автомобильная фара светит в полную силу при непрерывной подаче на нее напряжения аккумулятора. Если время пребывания фары под напряжением будет равно времени отключения, то при соотношении их на уровне секунд будет видно, что лампа включилась на полную яркость и затем выключилась. И так далее.    

Если время включения и выключения оставить одинаковыми, но уменьшить периодичность коммутаций, лампа будет мигать. Но при еще большем уменьшении периодичности коммутации яркость будет уменьшаться, а мигание становиться все менее заметным. И, начиная с определенного значения периодичности (частоты) коммутации, человеческий глаз будет видеть ровный свет, воспринимаемый как потускневший. На самом деле так и получится, фара будет светить в пол силы.

Если при этой же периодичности время включенного состояния увеличить, а выключенного на столько же уменьшить, света станет больше. И наоборот.


Принцип ШИМ

Расшифровка и определение ШИМ

Модуляция ширины импульса означает, что ширина импульса возникает строго в прямоугольной волне.

Это улучшает управление двигателем. Вместо чистого сигнала постоянного тока к двигателю используется серия импульсов. Они могут находиться на максимальном напряжении, но только на долю секунды. Выполнение повторных действий приведет к тому, что двигатель начнет вращаться. Это позволит более комфортно управлять скоростью. Простое применение сигнала постоянного тока не приведет к преодолению трения двигателя и передач, наоборот, запуск будет обрывистый с низкой скоростью.

Увеличивая частоту импульсов ШИМа на Ардуино, можно выполнять операции на высокой скорости.

Декодер создает этот сигнал для управления двигателем. Это та же концепция, что и функции мощности импульса, находящиеся на блоках питания постоянного тока.

Рассмотрим основные преимущества использования ШИМ Ардуино:

  1. Эффективность электропитания: индукция обмоток ротора будет усреднять ток (индукторы сопротивляются изменению тока). Транзисторы имеют низкий импеданс при низком падении напряжения и рассеивании мощности. Резистор рассеивает большую мощность (I2R) в виде тепла.
  2. Управление скоростью: двигатель будет видеть источник с низким импедансом, даже если он постоянно переключается между высоким и низким напряжением. Результат очевиден – двигатель ускоряется. Серийное сопротивление приведет к тому, что двигатель будет испытывать малое напряжение, поэтому легко остановится в нужный момент.
  3. Цепь управления: для цифровой электроники (например, микроконтроллера ) очень легко включать или выключать напряжение с помощью транзисторов. Аналоговый выход (с электронным или механическим управлением) требует большего количества компонентов и увеличивает рассеивание мощности. Это будет более дорогостоящим вариантом, с точки зрения электроники и требований к электропитанию.

Создать широтно-импульсный модулятор можно на esp8266 шим, на Ардуино УНО и Ардуино Нано шим. То есть для конструирования подойдет любая модель описываемого микроконтроллера.

Увеличение частоты и разрядности ШИМ Ардуино

Для изменения частоты ШИМа Ардуино в большую сторону необходимо обратиться к следующей инструкции.

Когда высокочастотный ШИМ-сигнал фильтруется, его небольшой компонент всегда будет проходить через фильтр. Это происходит потому, что конденсатор слишком мал, чтобы полностью его фильтровать. Можно было бы выбрать большую комбинацию конденсаторов и резисторов, но тогда потребуется долгое время для достижения надлежащего выходного напряжения при зарядке конденсатора.

Это значительно ограничило бы то, как быстро сигнал может измениться и быть видимым на выходе. Поэтому нужно выбрать разумное значение напряжения пульсации. Популярным приложением было бы изменение напряжения MOSFET. Поскольку МОП-транзисторы являются устройствами, контролирующими напряжение, можно легко управлять ими с помощью нашего микроконтроллера с ШИМ и фильтром нижних частот. На выходе будет присутствовать любое пульсационное напряжение, присутствующее на входе.

Рис.: а) структура МОП ПТ с индуцированным каналом. б) графическое изображение.

В этом примере предположим, что MOSFET будет управлять не критической нагрузкой, такой, как светодиод высокой мощности. В этом случае нам просто нужно оставаться в разумных пределах, поэтому пиковый ток в светодиоде не будет превышен. В этом случае пульсация в 0,1 вольта была бы более чем достаточной.

Формирование аналогового сигнала

AnalogRead – это функция, которая используется для считывания аналоговых значений из аналоговых контактов ШИМа на Ардуино. Плата Arduino UNO имеет 6-канальный 10-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Это означает, что АЦП в Arduino UNO будет отображать входные напряжения от 0 до 5 В в целое значение от 0 до 1023.

Следовательно, функция analogRead возвращает любое значение от 0 до 1023. Синтаксис функции analogRead – analogRead (аналоговый вывод no).

Поскольку мы считываем аналоговые напряжения от потенциометра на выводе A0, нам нужно написать analogRead (A0) в эскизе. Когда он возвращает целочисленное значение, с ним создается временная переменная целочисленного типа данных. Следующая функция – analogWrite. Это функция, которая используется для установки рабочего цикла сигнала ШИМ для любого заданного штыря ШИМ.

Синтаксис функции analogWrite – analogWrite (вывод PWM no, value).

Значение указывает рабочий цикл и должно быть значением от 0 (0 В) до 255 (5 В).

Перейдем к фактическому эскизу схемы управления яркостью светодиода. Окончательный эскиз показан на следующем рисунке.

Из приведенного выше эскиза мы можем легко понять, что значение, возвращаемое функцией analogRead, сохраняется в переменной temp. Это значение будет использоваться для управления рабочим циклом сигнала ШИМ с помощью функции analogWrite.

Но диапазон значений, принимаемых функцией analogWrite, находится в диапазоне от 0 до 255. Следовательно, нам нужно выполнить некоторые математические вычисления, чтобы поместить подходящее значение в функцию analogWrite.

Наконец, вычисленное значение помещается в функцию analogWrite вместе с выводом PWM для получения сигнала PWM.

Когда схема построена, и эскиз загружен в Arduino, мы видим, что, изменяя положение потенциометра, яркость светодиода мы также можем изменить.

Еще  один вариант скетча для Ардуино:

int ledPin = 3;        // объявляем пин, управляющий светодиодом
int brightness = 0;    // переменная для задания яркости
int fadeAmount = 5;    // шаг изменения яркости

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  analogWrite(ledPin, brightness); // устанавливаем яркость brightness на выводе ledPin

  brightness += fadeAmount; // изменяем значение яркости

  /* при достижении границ 0 или 255 
     меняем направление изменения яркости */
  if (brightness == 0 || brightness == 255) { 
    fadeAmount = -fadeAmount; // изменяем знак шага
  }
  delay(30); // задержка для большей видимости эффекта
}

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства

Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки

Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

  • высокой эффективности преобразования сигнала;
  • стабильность работы;
  • экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
  • низкой стоимости;
  • высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Примеры использования ШИМ на Ардуино

Широкополосная широтно-импульсная модуляция является способом кодирования напряжения на фиксированную несущую частоту. Он обычно используется для радиоуправляемых устройств. Каждый тип схемы модуляции имеет свои преимущества и недостатки.

AM-модуляция была первым типом модуляции, используемой для радиопередач. Самая простая схема модуляции для реализации требует только одного транзистора или усилителя вакуумной трубки, как это было сделано в первые дни с момента создания радио.

С необходимостью цифровой связи был изобретен новый метод модуляции – ШИМ. Этот метод обладает той же помехоустойчивостью, что и радиоволны. Самая большая разница – простота и цифровая природа модуляции. Вместо того, чтобы изменять частоту модуляции с напряжением, выход просто включается и выключается с фиксированной частотой. Процент времени включения пропорционален сигнальному напряжению.

Суть ШИМ

Аббревиатура ШИМ означает Широтно Импульсную Модуляцию. Это определение относится к электротехнике и электронике. Но физическое явление, которое лежит в основе ШИМ, существовало всегда. Речь идет об инерционности распространения тепла в различных средах. Простейший и наглядный пример – это картофель, запеченный в костре. Горячую картофелину перебрасывают из руки в руку тем чаще, чем она горячее. Тем самым уменьшая поток тепла от картофелины к руке и предотвращая ожог.

Ширина импульса – это значение времени. А если этот импульс характеризует изменение энергии, ее действующее значение эквивалентно площади, ограниченной линией импульса. Например, прямоугольный импульс связан с высотой (амплитудой) и шириной (временем). Поэтому одну и ту же площадь, а, следовательно, и количество энергии, можно получить, либо уменьшая амплитуду и увеличивая ширину импульса, либо наоборот, – увеличивая амплитуду и уменьшая время (ширину).

Ссылка на основную публикацию