Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 60
Текст из файла (страница 60)
При возрастании питающего напряжения, рабочий цикл ШИМ должен уменьшиться для получения той же средней мощности. Следовательно, для обеспечения такой же точности, как в аналоговой цепи, преобразователь с ШИМ должен иметь: ° стабилизированное напряжение питания; ° возможность измерения напряжения питания для компенсации его изменений; ° возможность измерения выходного сигналадля компенсации отклонений. В реальных устройствах обычно применяется обратная связь, так, что ПО может скомпенсировать рабочий цикл без определения причины изменений — напряжение питания нли параметры нагрузки (объекта нагрева и т. п.).
В этом случае изменения напряжения питания становятся дополнительной переменной (наряду с изменениями нагрузки) в системе. В некоторых устройствах все же не обойтись без измерения напряжения питания. Допустим, нагреватель без ОС обеспечивает 50%-ный рабочий цикл для нагрева до 50'С и 75%-ный рабочий цикл для нагрева до 75'С. При отсутствии измерения тока через нагреватель, система может измерять напряжение питания с помощью АЦП и программно компенсировать рабочий цикл устройства.
Для устойчивой работы ШИМ, частота должна быть довольно высокой, чтобы нагрузка реагировала именно на средний ток через нее. Для больших нагревателей частота ШИМ может составлять 100 Гц, тогда как управление высокоскоростным двигателем постоянного тока потребует увеличения частоты ШИМ до 50 кГц. Реальные элементы Теперь, рассмотрим реальный транзистор. У мощного транзистора во включенном состоянии наблюдается некоторое падение напряжения между коллектором и эмитгером.
МОП-транзисторы также характеризуются падением напряжения во включенном состоянии. В обоих случаях падение напряжения зависит оттока. 332 ° Приложение Б. Широтно-импульсная модуляция Допустим, в нашем примере системы ШИМ падение напряжения на транзисторе в открытом (включенном) состоянии составляет 1 В. Допустим, что это падение напряжения не зависит от тока. В результате транзистор будет рассеивать некоторую мощность во включенном состоянии.
К тому же, на нагревателе установится меньшее напряжение. Если из величины напряжения питания (16 В) вычесть величину падения напряжения (1 В), то получим 15 В на нагревателе. Следовательно, ток через нагреватель составит уже 15 В/15 Ом = 1 А. Уменьшение напряжения нагревателя окажет на рабочий цикл системы с ШИМ такой же эффект, как и уменьшение напряжения питания. Потребуется несколько больший (в процентном отношении) рабочий цикл.
В нашем прилгере, во включенном состоянии транзистор рассеивает 1 В ж 1 А =! Вт. Температура транзистора также зависит от средней мощности. Если нагреватель включен 33.3% от всего времени, средняя рассеиваемая транзистором мощность составит 0.33 Вт, а при 66.7% рабочего цикла — 0.667 Вт. Ограничения по частоте Реальные транзисторы рассеивают некоторую мощность при переключении. Рис. Б.4 иллюстрирует такую ситуацию. Цифровая система управления переключает входной сигнал транзистора практически мгновенно. Но транзистору все же необходимо некоторое время, чтобы полностью открыться или закрыться. Во время включения и выключения транзистор рассеивает мощность, как и аналоговый прибор, работающий в линейном режиме. Эти потери ограничивают частоту работы.
Чем выше частота, тем большую часть времени транзистор находится в промежуточном состоянии, в котором он рассеивает значительную мощность. Если частота ШИМ будет очень высокой, то транзистор не сможет полностью открываться (режим насыщения) и полностью закрываться (релсим отсечки), т.
е. работать как ключ с малыми фронтами на переключение, а будет иметь спадающие по линейному закону фронты, работать практически в линейном режиме и рассеивать значительную мощность. Сигнал управления Напряжение на коллекторе Рис. Б.4. Рассеивание мощности при ШИМ Прилоясение Б.
Широтно-импульсная модуляция ° 333 Ограничения в разрешении Для формирования последовательности импульсов системы ШИМ обычно используется цифровой генератор и счетчик. Другой цифровой счетчик исполыуется для формирования определенного периода следования импульсов.
Например, сигнал ШИМ может быть сформирован с помощью 8-битного счетчика, который делил бы тактовую частоту на 256. При частоте тактовых импульсов 1МГц, после счетчика было бы 1 МГц/256 = 3906.25 Гц. Поскольку тактовые импульсы делятся на 256 частей, размер наименьшего шага можно определить как 1/256. Если выходной сигнал ШИМ имеет ВЫСОКИЙ уровень при счете от 0 до 99, и НИЗКИЙ вЂ” от 100 до 255, тогда рабочий цикл составит 100/256 = 39.06%. Если изменить соотношение на 0...100 против 101...255, то новый рабочий цикл составит 101/256 = 39.45%.
Изменение составило 0.39%, то есть 1/256. Эта величина ограничивает точность, с которой ШИМ-контроллер может управлять выходным сигналом. Линейная система обеспечивает большую точность управления. Как и у любого цифрового устройства, разрешение системы ШИМ ограничено числом битов. Однако и разрешение линейной системы может оказаться ограниченным разрешением ЦАП. Поэтому при проектировании устройств необходимо учитывать разрешение применяемых цифровых приборов. Один из методов увеличения разрешающей способности — модуляция выходного сигнала. Допустим, если в нашей системе один цикл формируется с включенным состоянием 0...99, а следующий — 0...100, то среднее будет 99.5, т.
е. разрешение возрастает в 2 раза. При исполыовании двух циклов 0...99 и одного 0...100 получаем уже в 3 раза лучшее разрешение. Однако этот метод также обладает некоторыми ограничениями: ° Микропроцессор, управляющий системой с ШИМ должен изменять выходной рабочий цикл в каждом периоде. Таким образом, рабочий цикл будет переменной величиной. Это может значительно увеличить требования к производительности микропроцессора. ° Частота ШИМ должна быть выбрана таким образом, чтобы нагрузка не реагировала на отдельные импульсы, а изменяла свое состояние только в зависимости от средней величины выходного сигнала. Если выход ШИМ модулирован, нагрузка должна быть инерционной и не способной «чувствоватьь резкие изменения в сигнале. Иначе на качестве системы скажется влияние пульсаций.
В некоторых микроконтроллерах предусмотрена возможность изменения в определенных пределах рабочего цикла и частоты ШИМ. Но это уже 334 ° Приложение Б. Широмно-имнульеноямодуляция будет не «чистая» ШИМ, а сочетание из ШИМ и ЧИМ (частотно-импульсной модуляции). При ШИМ изменяется ширина импульса, а период повторения остается неизменным. В ЧИМ изменяемой величиной будет период повторения при неизменной длительности импульса. Период следования сигнала обычно изменяется подстройкой возвратной точки (гойочег ро(пг) таймера.
Это также влияет на разрешающую способность. Допустим, задействован упоминавшийся ранее 8-битный ШИМ-таймер, использующий все 256 отсчетов и работающий на частоте 3906 Гц. Для повышения быстродействия можно запрограммировать таймер к возврату на сотом отсчете, что обеспечит работу на частоте 10 кГц. Однако разрешение при этом ухудшится до 1% вместо 0.39% Поэтому при выборе компонентов и проектировании системы необходимо рассчитать разрешение на своей рабочей частоте, а не на максимальной частоте таймера. Требования к источнику питания При использовании ШИМ средний ток, потребляемый от источника питания, примерно равен среднему току в нагрузке.
В рассмотренном примере с нагревателем, максимальная мощность 9.6 Вт при среднем токе 800 мА. Однако импульсный ток при этом равен 1.0667 А. Источник питания должен быть способен выдать в нагрузку такой ток. Во многих случаях это достигается подключением к источнику питания конденсатора большой емкости. Если плата с ШИМ находится на некотором расстоянии от источника питания, то сопротивление кабеля может привести к возрастанию пульсаций в цепи питания ШИМ контроллера. В таком случае необходимо установить дополнительную емкость на плате ШИМ.
ШИМ и электромагнитные помехи Один из недостатков ШИМ вЂ” производимые электромагнитные помехи. В примере с нагревателем, линейный регулятор изменял ток нагрузки при изменении напряжения, но оставлял ток постоянным, если напряжение не изменялось. Регулятор с ШИМ производит импульсы тока амплитудой 1.0667 А при каждом включении транзистора. Вне зависимости от требуемого среднего тока нагрузки, система с ШИМ всегда формирует импульсы с током 1.0667 А, следующие с заданной частотой.
Если подключенные к системе кабели обладают значительным сопротивлением или индуктивностью, к напряжению на них прибавятся пульсации с частотой ШИМ. Поэтому в ШИМ-регуляторах необходимо применять провода большого сечения и широкие дорожки на плате для снижения сопротивле- Прилоясение Б. Широтно-импульсная модуляция ° 335 ния. В системах с чувствительными датчиками, такими как терморезисторы и термопары, необходимо использовать отдельную от ШИМ землю для усилителей сигналов с этих датчиков. В дополнение к пульсациям напряжения и тока в системе с ШИМ, паразитные индуктивности цепи создают электромагнитные помехи в момент переключения мощного транзистора.
Для минимизации помех необходимо управлять скоростью нарастания напряжения на фронте импульса. Существуют драйверы, способные растягивать фронт управляющего импульса. В более простых системах можно, например, подключить последовательно резистор сопротивлением 100...1000 Ом в цепь затвора МОП-транзистора. Это сопротивление в комбинации с собственной емкостью МОП-транзистора обеспечит затягивание фронта импульса. Недостаток метода — увеличение рассеиваемой мощности из-за продления времени, втечение которого МОП-транзистор находится в линейном режиме.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
