Что такое генератор ШИМ-сигналов. Как работает широтно-импульсная модуляция. Где применяются ШИМ-генераторы. Какие бывают типы и модели генераторов ШИМ. На что обратить внимание при выборе ШИМ-генератора.
Что такое генератор ШИМ-сигналов и принцип его работы
Генератор ШИМ-сигналов (широтно-импульсной модуляции) — это устройство, формирующее последовательность импульсов с изменяемой длительностью (шириной) при постоянной частоте следования. Принцип работы ШИМ основан на изменении соотношения длительности высокого и низкого уровня сигнала в пределах одного периода.
Как работает ШИМ-генератор:
- Формируется опорный пилообразный или треугольный сигнал постоянной частоты
- Этот сигнал сравнивается с управляющим напряжением на компараторе
- На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы
- Ширина импульсов зависит от уровня управляющего напряжения
Таким образом, изменяя управляющее напряжение, можно плавно регулировать ширину (длительность) выходных импульсов при неизменной частоте.
Основные характеристики и параметры ШИМ-генераторов
При выборе генератора ШИМ-сигналов следует обратить внимание на следующие ключевые параметры:
- Диапазон частот — обычно от единиц Гц до сотен кГц
- Диапазон регулировки скважности (0-100%)
- Разрешение по скважности (шаг регулировки)
- Стабильность частоты
- Время нарастания/спада фронтов
- Максимальный выходной ток
- Диапазон напряжения питания
- Наличие дополнительных функций (запуск, модуляция и т.д.)
Чем шире диапазоны регулировки и выше стабильность параметров, тем более универсальным будет генератор ШИМ.
Области применения генераторов ШИМ-сигналов
ШИМ-генераторы нашли широкое применение в различных областях электроники и электротехники:
- Управление двигателями постоянного тока
- Регулирование яркости светодиодов
- Импульсные источники питания
- Усилители класса D
- Системы автоматического управления
- Преобразователи напряжения
- Зарядные устройства
- Контроллеры нагревательных элементов
Благодаря высокой эффективности и гибкости ШИМ-регулирование позволяет снизить энергопотребление и тепловыделение в системах управления.
Типы и разновидности генераторов ШИМ
Существует несколько основных типов ШИМ-генераторов:
По способу реализации:
- Аналоговые — на операционных усилителях и компараторах
- Цифровые — на микроконтроллерах или специализированных ИС
- Гибридные — сочетающие аналоговые и цифровые узлы
По количеству каналов:
- Одноканальные
- Многоканальные (2, 3, 4 и более независимых каналов)
По типу выходного каскада:
- С открытым коллектором/стоком
- С комплементарным выходом
- С драйвером MOSFET
Выбор конкретного типа зависит от требований к функциональности, точности и мощности выходного сигнала.
Обзор популярных моделей генераторов ШИМ-сигналов
Рассмотрим несколько распространенных моделей ШИМ-генераторов:
1. ICM7555 — аналоговый таймер
- Частота до 500 кГц
- Напряжение питания 2-18 В
- Низкое энергопотребление
- Простая схема включения
2. XR-2206 — функциональный генератор
- Частота 0.01 Гц — 1 МГц
- Формирование синуса, треугольника, прямоугольника
- AM/FM модуляция
- Высокая стабильность
3. SG3525 — ШИМ-контроллер для импульсных источников питания
- Частота до 400 кГц
- Встроенный генератор и компаратор
- Регулировка «мертвого» времени
- Защита от перегрузки
4. ATmega328 — микроконтроллер с аппаратным ШИМ
- До 6 ШИМ-каналов
- Программируемая частота и разрешение
- Гибкая настройка параметров
- Дополнительные функции микроконтроллера
При выборе модели следует учитывать требуемые характеристики, сложность реализации и стоимость решения.
Как выбрать генератор ШИМ-сигналов для конкретной задачи
Чтобы подобрать оптимальный ШИМ-генератор, необходимо определить:
- Требуемый диапазон частот и скважности
- Необходимую точность и стабильность параметров
- Мощность нагрузки и тип выходного каскада
- Напряжение питания системы
- Потребность в дополнительных функциях
- Условия эксплуатации (температура, вибрации и т.д.)
- Допустимые габариты и стоимость устройства
Для простых задач подойдут готовые модули на базе таймеров или ШИМ-контроллеров. Для сложных систем управления оптимальным выбором будет программируемое решение на микроконтроллере.
Самостоятельное изготовление простого ШИМ-генератора
Для создания простейшего ШИМ-генератора своими руками понадобится:
- Таймер NE555 или его аналог
- Резисторы и конденсаторы для задания частоты
- Переменный резистор для регулировки скважности
- Макетная плата и провода для монтажа
Порядок сборки:
- Собрать схему генератора на макетной плате согласно даташиту NE555
- Подключить питание 5-15 В
- Настроить частоту подбором номиналов RC-цепочки
- Регулировать скважность переменным резистором
Такой простой генератор позволит получить ШИМ-сигнал с частотой до 100 кГц и регулировкой скважности 10-90%.
ШИМ (PWM) — генератор
Широтно-Импульсная Модуляция (Pulse Width Modulation) используется весьма широко, в том числе для управления всякими автомобильными приводами, которые должны двигаться плавно.
* ВНИМАНИЕ! под катом видны грязные руки на фото и видео!
Суть состоит в том, что на некий например электромагнит подается не постоянный ток, а сигнал с некоторой частотой, при этом для плавного управления меняется соотношение высокого и низкого уровня за период. То есть если у нас 30% периода на привод будет подаваться питание, а 70% — нет, то он откроется меньше, чем если бы на него подавалось питание 70% времени, а 30% он отдыхал. За счет инерции привод не успевает полностью открыться либо закрыться, соответственно работает плавно. Данный принцип, повторюсь, используется весьма широко, везде где нужно обеспечить плавное регулирование. Два примера применения я покажу ниже.
Итак, данный девайс имеет размеры 79х43х24 (ШхВхГ), установочное отверстие 72х39, плюс выборки по бокам для защелок.
Клеммники не особо высокого качества, что и неудивительно; подписаны. 4 контакта: + и — питания, — и сигнал ШИМ. Минусы объединены. По питанию стоит диод.
Внутренний мир прост и незатейлив:
Тут у нас драйвер дисплея HT1621, микроконтроллер Nuvotek N76E003AT20, стабилизатор напряжения M5333B и выходной транзистор с маркировкой 1АМ — надо полагать это 3904.
На передней панели ЖКИ с на удивление неплохими углами обзора и 4 кнопки: частота+- и коэффициент заполнения +-
Посмотрим как оно работает.
Вот на самой низкой частоте для понимания принципов ШИМ-регулировки, кто не знает:
Индикация частоты следующим образом: герцы — без точки, килогерцы — с точкой, больше сотни килогерц — с двумя точками.Максимальная частота — 150кГц. Инкремент по 1% ШИМ и по единице младшего разряда, то есть 1Гц, либо 0.01кГц, либо 0.1кГц, либо 1кГц, либо 10кГц, в зависимости от частоты.
И сразу осциллки на высоких частотах, 20кГц, 50кГц, 100кГц, 150кГц.
Как видим сигнал не шибко красивый, но тут не может быль ничего другого, ибо выходная цепь — транзистор с парой резисторов.
А теперь осциллки на промежуточных частотах, если кому это интересно:
Ну вот такой, в общем, приборчик. Понравился, если честно. прям вот за 5 баксов, за которые я его взял — очень хорошо.
Ну а теперь — диайвай немножко рукоделия. Я придумал два применения данному генератору: проверка всеразличных соленоидов, например Регуляторов Холостого Хода, и промывка форсунок. При промывке форсунок в ультразвуковой ванне мне нравится загонять их в режим самопрокачки. Но аналоговый генератор не обладает достаточной стабильностью (а может дело и в форсунках — уходят характеристики при прогреве), так что я решил применить данный цифровой, в надежде на более высокую стабильность. Я в любом случае собирался делать еще один генератор, так что решил не заморачиваться и купил этот, сразу как только увидел.
Но у нас тут явно недостаточная мощность для управления форсунками, значит придётся ставить выходные ключи. Типа такого:
Возможно, придётся заменить выходной транзистор в самом устройстве, ну и надо подобрать силовые транзисторы получше, возможно мои любимые IRFZ44 — жаль, закончились. Собственно, на данном этапе устройство собрано на 50% — я впаял два первых попавшихся полевика, кажется IRF630 — ну потому что больше одинаковых нету у меня 🙁 чисто для проверки идеи и картинок/видосиков для обзора.
Далее нам понадобится корпус. Примерно такой:
Ну и 3Д-принтер для его изготовления. Плату делал по фоторезистивной технологии описанной в прошлом обзоре.
Ну и сразу результат.
Внутренности:
И наружа:
В боксе холодно, так что детали к сожалению не сильно хорошо прилипают к столу, так что качество корпуса получилось не ахти. Меня-то устроит, но в целом чувствуется недосказанность какая-то, поэтому файлы моделей не выкладываю, благо рисуется это всё быстро и просто.
Выключатели: верхний подает питание на всю схему, нижний отключает выходной каскад.
А теперь — примеры работы. проверка РХХ
И режим самопрокачки форсунки
Подытоживая: отличный генератор. Повторять конструкцию возможно и не стОит в том виде в котором она сейчас показана в обзоре, но в целом что-то подобное — однозначно маст хэв в каждом сервисе. Да и не только в сервисе. Так что берите идею, и ваяйте своё.
Простой генератор ШИМ-сигнала | CUSTOMELECTRONICS.
RUОпубликовано 08.01.2014
Широтно-импульсно модулированный сигнал очень часто применяется в электронике для передачи информации, регулировки мощности или формирования постоянного напряжения произвольного уровня. В этой статье описано устройство на операционном усилителе, размером 20х20мм из 15 элементов, которое генерирует ШИМ-сигнал.
Формирование ШИМ-сигнала
ШИМ-сигнал (PWM) представляет собой последовательность импульсов, частота которых неизменна, а модулируется длительность импульсов. Большинство микроконтроллеров легко справляются с этой задачей, но что делать если нет желания программировать и использовать такое мощное средство для такой простой задачи? В этом случае можно использовать дискретные элементы.
Для начала необходимо сформировать последовательность пилообразных импульсов и подать ее на вход компаратора. На второй вход компаратора подается модулирующий сигнал, например, напряжение с переменного резистора. Если напряжение генератора выше напряжения на втором входе — на выходе напряжение близко к напряжению питания. Если напряжение генератора ниже — на выходе ноль.
Формирование ШИМ-сигнала
На рисунке Uк — напряжение команды (постоянный уровень, заданный переменным резистором), Uген — напряжение генератора, UPWM — ШИМ-сигнал.
Схема
Все эти задачи можно легко выполнить при помощи двух операционных усилителей так как показано на схеме.
Схема генератора ШИМ
В схеме применена микросхема LM358N, которая использует однополярное питание и содержит два канала в одном корпусе SO8.
Печатная плата
Все элементы, кроме резистора R3, предназначены для поверхностного монтажа и располагаются на плате с минимальным размером. R3 расположен на обратной стороне платы. Генераторные схемы очень капризны с точки зрения трассировки печатных плат. Если изменить топологию платы нельзя гарантировать ее работоспособность. Первая версия платы генерировала пилообразное напряжение с очень низкой амплитудой и ее было невозможно использовать.
Плата генератора ШИМ-сигнала
Сборка и работа схемы
Сама плата очень маленькая — 20х20 мм и легко изготавливается методом ЛУТ. Она лишь немного больше переменного резистора, изменяющего скважность сигнала.
Плата генератора ШИМ в сборе
Технические характеристики
- напряжение питания, 5-15В
- диапазон изменения скважности, от 1 до бесконечности
- рабочая частота, 500Гц
- потребляемый ток, не более, 2мА
Рабочая частота определяется конденсатором C1. Для снижения частоты можно увеличить его емкость и наоборот.
Список элементов
- ИМС LM358N в корпусе SO8 (DA1), 1 шт.
- Резисторы 20кОм в корпусе 0805 (R1,R2,R4-R6), 5 шт.
- Резисторы 10кОм в корпусе 0805 (R7,R8), 2 шт.
- Любой переменный резистор с шагом выводов 5мм и сопротивлением 50кОм
- Конденсаторы 0,1мкФ в корпусе 0805 (C1,C2,C4), 3шт.
- Конденсатор танталовый 47мкФ, 16В, типоразмера С, T491C476K016AT (C3), 1шт.
Видео работы
Файл печатной платы в формате Sprint Layout 5. 0 можно скачать по ссылке.
Мы будем очень рады, если вы поддержите наш ресурс и посетите магазин наших товаров shop.customelectronics.ru.
Метки: PWM, генератор, ШИМ-сигнал Просмотров: 46259
Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.
Простые решения для генератора сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) в одном устройстве
Скачать PDF
Abstract
Генераторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) встроены почти в каждое импульсное силовое устройство. Способы реализации интегральных ШИМ-генераторов хорошо известны. Это примечание по применению было предложено покупателем, который запросил автономный аналоговый генератор сигналов PWM для одного устройства.
Аналогичная версия этой статьи опубликована в EDN , 25 сентября 2013 г.
Генераторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)встроены почти в каждое импульсное силовое устройство. В этой статье показаны два метода реализации автономного аналогового генератора сигналов ШИМ. Эти конструкции также могут быть модифицированы для создания ШИМ-генератора с двумя устройствами.
Существует два способа реализации генератора сигналов ШИМ на одном устройстве. В одном методе используется таймер ICM7555, а в другом — MAX9.98 маломощный компаратор. Мы рассмотрим каждый.
Метод 1: использование маломощного таймера в качестве генератора ШИМ
В этом методе таймер ICM7555 настраивается, как показано на рис. 1.
Рис. 1. ШИМ-генератор и таймер для одного устройства.
На рис. 1 ширина импульса выхода на контакте 3 модулируется управляющим напряжением (V CONTROL ), подаваемым на контакт 5. Были проведены лабораторные испытания конструкции с источником питания, установленным на 5 В. На рисунках со 2 по 5 показан выходной сигнал ШИМ при трех различных управляющих напряжениях: 1 В, 2 В и 4 В. C1 заряжается на V CONTROL напряжением питания (V SUPPLY ) и разряженным от V CONTROL /2 на землю. Когда внешнее управляющее напряжение не подается, V CONTROL составляет 2/3 от V SUPPLY .
Рисунок 2. Выход ШИМ с управляющим напряжением = 1В.
Рисунок 3. Выход ШИМ с управляющим напряжением = 2В.
Рис. 4. Выход ШИМ без управляющего напряжения.
Рисунок 5. Выход ШИМ с управляющим напряжением = 4В.
Данные показывают, как управляющее напряжение, подаваемое на контакт 5, изменяет пороговое напряжение двух внутренних компараторов. Без приложенного управляющего напряжения (рис. 4) прибор устанавливает зарядку и разрядку С1 на 1/3 и 2/3 напряжения питания. Это равноудалено от напряжения питания и земли, что обеспечивает 50%-й рабочий цикл. Различные управляющие напряжения изменяют время заряда C1 до V CONTROL и время разряда C1 до V КОНТРОЛЬ /2. Этот процесс изменяет ширину импульса выходного сигнала.
Время зарядки выражается как:
-t/RC = ln [1 – (V УПРАВЛЕНИЕ /(2V ПИТАНИЕ — V УПРАВЛЕНИЕ ))]
Время разрядки выражается как:
-t/RC = ln 0,5
, где R = R1 и C = C1.
Способ 2: ШИМ-генератор с компаратором
В этом методе компаратор MAX998 настроен, как показано на рис. 6.
Рис. 6. ШИМ-генератор и компаратор.
Ширина импульса на выходе модулируется управляющим напряжением, приложенным к резистору R1. Лабораторные тесты проводились с источником питания, установленным на 5В. На рисунках с 7 по 9 показаны выходные сигналы ШИМ для трех различных управляющих напряжений: 1 В, 2 В и 3 В.
Рисунок 7. Выход ШИМ с управляющим напряжением = 1В.
Рисунок 8. Выход ШИМ с управляющим напряжением = 2В.
Рисунок 9. Выход ШИМ с управляющим напряжением = 3В.
Управляющее напряжение, подаваемое на MAX998, устанавливает пороговые напряжения, при которых происходит зарядка и разрядка. Верхнее пороговое напряжение составляет (В ПИТАНИЕ –
V CONTROL )/2 + V CONTROL и нижнее пороговое напряжение равно V CONTROL /2.Время зарядки выражается как:
-t/RC = ln [1 – (V ПИТАНИЕ /(2 × V ПИТАНИЕ ) — V УПРАВЛЕНИЕ ))]
Время разрядки выражается как:
-t/RC = ln [1 — (V УПРАВЛЕНИЕ /(V ПИТАНИЕ + V УПРАВЛЕНИЕ )
, где R = R1 и C = C1.
Модификации ШИМ-генератора с двумя устройствами
Важно отметить, что управляющее напряжение также изменяет частоту в обоих схемных методах. Таким образом, дополнительный компаратор к схемам Метода 1 и Метода 2 преобразует каждую из них в ШИМ-генератор фиксированной частоты с двумя устройствами.
Для метода 1 подайте пилообразный сигнал с контакта 6 на вход второго компаратора. Напряжение, подаваемое на вход второго компаратора, задает коэффициент заполнения выхода с фиксированной частотой. Аналогично методу 2, подайте пилообразный сигнал на MAX9.отрицательный вход 98 на вход второго компаратора. Напряжение, подаваемое на вход второго компаратора, задает коэффициент заполнения выхода с фиксированной частотой.
Генератор ШИМ-сигналов Импульсный прямоугольный прямоугольный регулируемый сигнал G — MakerFocus
MakerFocus
- 12 долларов 99 $12,99
Цена за единицу за
- Сэкономьте $3
Стоимость доставки рассчитывается при оформлении заказа.
Название по умолчанию — 12,99 долл. США Количество
Генератор ШИМ-сигналов Импульсный прямоугольный прямоугольный регулируемый генератор сигналов Двойной режим 1 Гц-150 кГц Рабочий цикл 0-100% постоянного тока 3,3–30 В для двигателя постоянного тока, драйвера шагового двигателя и манипулятора робота drive.google.com/open?id=18gaC9Z8gJvbD7oQbhhuugml6DyGqIwoD
Можно выбрать два режима, легкое переключение — есть режим ШИМ и импульсный режим. Одновременно можно использовать только один режим, но два режима можно переключать в любое время
С кнопкой «Старт-стоп» — внешний переключатель также может использоваться для управления выходным сигналом ВКЛ/ВЫКЛ
Широкий вход напряжения — 3,3–30 В пост. тока , с защитой от обратного хода, клеммная проводка 5,08 мм; Перед включением питания убедитесь, что входная и выходная проводка верна, иначе это может сжечь цепь!
Применение: Используется для генерации сигнала прямоугольной формы прямоугольной формы, который подается на двигатели постоянного тока, драйверы шаговых двигателей, шаговые двигатели, серводвигатели, электрический захват, манипулятор робота.
Описание продукта
Описание:
Генератор ШИМ и импульсных сигналов. Есть режим ШИМ и импульсный режим. Одновременно можно использовать только один режим, но два режима можно переключать в любое время.
Характеристики:
1. Можно выбрать два режима
Режим ШИМ — частота (непрерывный), рабочий цикл, количество импульсов не регулируется, продолжайте посылать сигнал;
ИМПУЛЬСНЫЙ режим — длительность положительного импульса, длительность отрицательного импульса, время отложенного запуска и регулируемое количество импульсов.
2. С кнопкой «Старт-стоп» (внешний переключатель также может использоваться для включения/выключения выходного сигнала)
3. Широкий вход напряжения: 3,3–30 В, с защитой от обратного хода, клеммная проводка 5,08 мм
Параметры:
— Рабочее напряжение: 3,3–30 В пост. тока
— Диапазон частот: 1 Гц–150 кГц, погрешность около 1 %
— Диапазон рабочих циклов: 0–100 %, шаг 1 % , или бесконечность (отображение «—-» означает бесконечность)
-Время задержки вывода: 0,000 с-9999 с, минимальное значение может быть установлено 1 мс
— Длительность положительного и отрицательного импульса: 0,000–9999 с, минимальное значение может быть установлено 1 мс
— Нагрузочная способность сигнала: менее 30 мА
— Амплитуда выходного сигнала: напряжение питания
— Размер: 79 мм * 43 мм * 30 мм
— Вес: 40 г
Внимание:
1.
