Инициативный студенческий проект
По дисциплине «Цифровая обработка сигналов»
Тема: «Реализация ШИМ на аналоговых и цифровых электронных компонентах.»
Выполнил студент: Арбузов Иван Михайлович
Институт: ИИС
Курс: VI
Специальность: 210302
Шифр: 7502030025
Руководитель:
Дата защиты:
Оценка:
Подпись преподавателя:
Санкт-Петербург.
2013 г.
Введение
ШИМ (широтно-импульсная модуляция) представляет собой импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, т.е. отношения длительности импульса к периоду его следования. С помощью задания скважности можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ, а постоянно меняя скважность – формировать сигнал любой формы. В большинстве устройств на долю ШИМ контроллера приходится не просто формирование последовательности импульсов определенной частоты, но и регулировка их скважности для поддержания определенного уровня выходного напряжения.
Реализация ШИМ на аналоговых компонентах.
Для данной задачи потребуется операционный усилитель транзисторы и некоторое количество конденсаторов и резисторов. На рисунке №1 представлена электрическая принципиальная схема. На этапе проектирования модель генератора ШИМ я реализовал виртуально в программе Micro-Cap 8. Воспользовавшись встроенным анализом переходных процессов, я проанализировал работу этой схемы в разных контрольных точках.
Рисунок №1.
На рисунке №2 представлены модулирующий и несущий сигналы, которые подаются на входы операционного усилителя работающего в режиме компаратора. На выходе компаратора можно наблюдать импульсы с разной скважностью и одинаковым периодом как показано на рисунке №3.
Сигналы на входе компаратора.
Рисунок №2.
ШИМ с импульсами разной скважностью на выходе компаратора.
Рисунок №3.
А вот что получается если совместить входной модулирующий и выходной ШИМ сигналы.
Рисунок №4.
Можно заметить, что скважность импульса ШИМ пропорционально изменяется с амплитудой модулирующего сигнала синуса. Если попробовать пропустить промодулированный ШИМ через интегрирующую цепочку то мы обнаружим, что сигнал который мы использовали как модулирующий восстановится - рисунок №5, но с некоторой задержкой по времени. Это можно видеть если внимательно сравнивать рисунки №4 и №6.
Восстановление сигнала синуса.
Рисунок №5.
Задержка восстановленного сигнала относительно ШИМ.
Рисунок №6.
Реализация ШИМ на цифровых компонентах.
Это была реализация ШИМ на аналоговых компонентах. Теперь реализуем ШИМ и синтез синусоидального сигнала на цифровых компонентах. За основу я взял микроконтроллёр PIC16F628A фирмы Микрочип. Схема устройства представлена на рисунке №7.
Схема электрическая принципиальная.
Рисунок №7.
Архитектура микроконтроллера позволяет реализовать ШИМ сигнал за счёт наличия таймеров и регистров сравнения. А также возможность работы таймера в режиме ШИМ, что упрощает задачу. Итак для реализации задачи выбран таймер TMR2. Таймер конфигурируем на работу в режиме ШИМ. В листинге № 1 показан пример инициализации этого таймера. А с право диаграмма таймера в режиме ШИМ.
Рис. 8. Временная диаграмма одного цикла ШИМ
Рис. 9. Структурная схема модуля CCP1 в режиме ШИМ.
Листинг № 1.
В листинге №2 представлен главный файл проекта. В этом файле объявляются вложенные файлы в проекте директивой «include», а также размещён главный цикл программы.
Листинг № 2.
Для реализации модуляции синусным сигналом, необходимо в памяти микроконтроллёра разместить его образ. Реализация такого образа осуществляется с помощью аналитического представления синусного сигнала:
По данной функции строится график в программе Excel.
И полученные значения заносятся в память микроконтроллёра в виде таблицы. В листинге №3 показан пример размещения массива в памяти.
Листинг № 3.
Из этого массива обработчик прерывания будет считывать значения и заносить в регистр сравнения CCPR1L который и генерирует длительность импульса. С каждым новым прерыванием будет загружаться новое значение из массива. Тем самым будет осуществляется модуляция.
Рис. 10. Осциллограмма синтезированного синуса и ШИМ.
Синтезатор синусоидального сигнала на микроконтроллёре.
Источники литературы и интернет ресурсов:
- www.microchip.com
- Julio Sanchez - Microcontroller Programming. Thi Micro Chip PIC2007y.
- Ю.С. Магда - Микроконтроллеры PIC: архитектура и программирование. 2009 год
- С.И. Малинин - Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных устройств. 2003г.Санкт – Петербург.