Шим сигнал что это такое
Широтно Импульсная Модуляция (ШИМ, PWM)
Все микропроцессоры работают с цифровыми сигналами, т.е. с логическим нулем (0 В), или логической единицей (5 В или 3.3 В). Поэтому микропроцессор не может сформировать на выходе промежуточное напряжение. Использование для этих целей внешних ЦАП (www.drive2.ru/b/2558751/) — сложно и задействует сразу много ножек микропроцессора, что неудобно. В этих случаях применяют Широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте. Широтно-импульсная модуляция представляет собой периодический импульсный сигнал.
Существуют цифровые и аналоговые ШИМ. Принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения и заключается в сравнении двух видов сигналов:
Uоп – опорное (пилообразное, треугольное) напряжение;
Uупр – входное постоянное напряжение.
Cигналы поступают на компаратор, где они сравниваются, а при их пересечении возникает / исчезает (или становится отрицательным) сигнал на выходе ШИМ.
Выходное напряжение Uвых ШИМ имеет вид импульсов, изменяя их длительность, мы регулируем среднее значение напряжения (Ud) на выходе ШИМ:
Однополярная модуляция означает, что происходит формирование импульсов только положительной величины и имеет место нулевое значение напряжения
Если сформированный таким образом сигнал подать на объект, обладающий фильтрующими свойствами, например, на двигатель постоянного тока или лампу накаливания, то объект будет использовать среднюю мощность сигнала.
Т.е. мощность, потребляемая объектом управления, пропорциональна скважности сигнала ШИМ, при условии, что период импульсов ШИМ на порядок меньше минимальной постоянной времени объекта.
ШИМ может быть встроенным выходом микропроцессора, может быть организована отдельно на выходе микропроцессора с обычным цифровым выходом.
Преимущество использования ШИМ — это легкость изменения величины напряжения при минимальных потерях.
Период тактирования T определяет через какие промежутки времени подаются импульсы.
Длительность импульса — величина показівающая время в течении которого подается сигнал t, с;
Скважность — Соотношение длины импульса (τ) к периоду тактирования (T); пропорционально модулирующей величине. Коэффициент заполнения обычно отображают в процентах (%).
Коэффициент заполнения D – величина обратная скважности.
Несмотря на то, что скважность и коэффициент заполнения могут использоваться в одинаковом контексте, физический смысл их отличается.
Эти величины безразмерны.
PS ШИМ может быть реализован не только при помощи микроконтроллеров, но и на аналоговой базе. Например, простейший ШИМ на основе мультивибратора из двух транзисторов:
Что такое ШИМ — максимально просто
Принцип ШИМ часто встречается в системе Умный Дом, поэтому объясню вкратце, что он собой представляет.
Расшифровывается как Широтно-Импульсная Модуляция. По-английски ШИМ — PWM. Но не надо вдумываться в эту расшифровку.
ШИМ — это принцип управления, который плавно регулирует результат работы того, что не умеет регулироваться плавно, а умеет только включаться и выключаться.
Например, светодиодная лента. Мы хотим иметь возможность регулировать яркость свечения ленты, но принцип работы светодиодов таков, что они либо светят на номинальную яркость, либо не светят вообще.
Но зато лента при подаче напряжения мгновенно загорается, а при пропадании мгновенно гаснет. Мы можем подать напряжение на ленту на короткое время, потом убрать, потом снова подать, потом снова убрать. И делать это очень быстро: подаём на 20 миллисекунд, затем убираем на 20 миллисекунд, затем снова подаём на 20 миллисекунд. Тогда глаз человека не будет замечать мерцание ленты, а будет видеть только, что лента светит ровно вдвое тусклее, чем постоянно включенная. То есть, мы получаем возможность регулировать яркость ленты, меняя промежуток времени, когда на неё подаётся питание. Попеременное включение на 30 миллисекунд и выключение на 10 миллисекунд будет соответствовать яркости ленты 75% от полной. А включение на 10 миллисекунд и выключение на 40 миллисекунд — 20% от полной яркости. То есть, мы регулируем яркость ленты шириной подаваемого импульса, отсюда и название. Правильнее, возможно, сказать не «шириной», а «длиной», или «временем», но принято говорить «шириной», так как её удобно видеть на графике.
Эти прямоугольники и есть импульсы, когда на нагрузку (ленту, в нашем примере) идёт напряжение.
Раз мы поняли, что такое ШИМ, введём удобное понятие скважность. Скважность — это как раз отношение времени, когда лента включена, ко времени всего периода. Период — это время включения+выключения. То есть, то, что я называл яркостью, говоря о ленте, на самом деле называется скважность. Как раз эти 10, 50 или 90%. Эта же цифра отражает среднее значение высоты (амплитуды) импульса на выходе.
Это и есть способ регулировки яркости светодиодных лент. Нужен ШИМ-диммер, на который подаётся напряжение питания ленты (12 или 24 вольта) и какое-то управление (0-10 вольт, TRIAC или ModBus), а он часто включает и выключает транзистор, подавая напряжение на ленту, меняя её яркость за счёт изменения ширины импульсов.
Ещё пример. Возьмём электрический тёплый пол с обычным термостатом.
Тёплый пол либо греет, когда на него приходит напряжение 230 вольт от термостата, либо не греет вообще, он не умеет «немножко греть». Мы выставляем на термостате температуру, скажем, 28 градусов, а в пол опускаем датчик температуры. Когда температура пола ниже заданной, термостат подаёт питания не пол, и пол греет. Температура достигла 28 градусов — термостат выключил нагрев. Температура пола упала — снова греет. И так далее. Человек не чувствует при этом, что пол становится то холоднее, то теплее, для человека он ровно заданной температуры, но есть колебания температуры в пару градусов. Вот такой получается график:
Если мы зимой откроем окно, пол после выключения будет почти сразу остывать и снова включаться, тогда длительность нагрева станет выше длительности охлаждения. И чем больше мощность самого пола, тем быстрее он будет нагреваться до нужной температуры.
То есть, тут принцип управления — тот же ШИМ. Но, в отличие от светодиодной ленты, длительность периода составляет не 1 секунду, а несколько десяткой минут. Система тёплого пола инертная, то есть, долго сохраняет тепло после отключения нагрева. А светодиодная лента не инертная, так как сразу перестаёт светить.
Система Умный Дом работает как термостат — подаёт и убирает питание с греющего кабеля, ориентируясь по температуре датчика пола.
Аналогично осуществляется управление радиаторами или водяным тёплым полом — установка на радиатор или на коллектор приводов.
Приводы точно так же открываются и закрываются. За счёт инертности системы колебания температуры воздуха в помещении незаметны человеку, за редкими случаями, в которых лучше использовать приводы с плавной регулировкой сигналом 0-10 вольт (это уже будет не ШИМ).
В ШИМ вариантов сигнала только два — включено или выключено. А соотношением интервалов определяется среднее значение.
Что ещё в доме управляется по принципу ШИМ? Кондиционеры неинверторного типа, которые либо дуют холодом, либо не дуют (очень неприятная штука, покупайте только инверторные), холодильники, которые либо холодят (и тарахтят при этом), либо не холодят, СВЧ печки, которые в зависимости от заданной мощности периодами греют, а периодами не греют.
279,680 просмотров всего, 136 просмотров сегодня
Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция
Модуляция – нелинейный электрический процесс, при котором параметры одного сигнала (несущего) изменяются при помощи другого сигнала (модулирующего, информационного). В связной технике широко применяется частотная, амплитудная, фазовая модуляция. В силовой электронике и микропроцессорной технике распространение получила широтно-импульсная модуляция.
Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция)
При широтно-импульсной модуляции исходного сигнала неизменными остаются амплитуда, частота и фаза исходного сигнала. Изменению под действием информационного сигнала подвергается длительность (ширина) прямоугольного импульса. В англоязычной технической литературе обозначается аббревиатурой PWM – pulse-width modulation.
Принцип работы ШИМ
Сигнал, промодулированный по ширине импульса, формируется двумя способами:
При аналоговом способе создания ШИМ-сигнала несущая в виде пилообразного или треугольного сигнала подается на инвертирующий вход компаратора, а информационный – на неинвертирующий. Если мгновенный уровень несущей выше модулирующего сигнала, то на выходе компаратора ноль, если ниже – единица. На выходе получается дискретный сигнал с частотой, соответствующей частоте несущего треугольника или пилы, и длиной импульса, пропорциональной уровню модулирующего напряжения.
В качестве примера приведена модуляция по ширине импульса треугольного сигнала линейно-возрастающим. Длительность выходных импульсов пропорциональна уровню выходного сигнала.
Аналоговые ШИМ-контроллеры выпускаются и в виде готовых микросхем, внутри которых установлен компаратор и схема генерации несущей. Имеются входы для подключения внешних частотозадающих элементов и подачи информационного сигнала. С выхода снимается сигнал, управляющий мощными внешними ключами. Также имеются входы для обратной связи – они нужны для поддержания установленных параметров регулирования. Такова, например, микросхема TL494. Для случаев, когда мощность потребителя относительно невелика, выпускаются ШИМ-контроллеры со встроенными ключами. На ток до 3 ампер рассчитан внутренний ключ микросхемы LM2596.
Цифровой способ осуществляется применением специализированных микросхем или микропроцессоров. Длина импульса регулируется внутренней программой. Во многих микроконтроллерах, включая популярные PIC и AVR, «на борту» имеется встроенный модуль для аппаратной реализации ШИМ, для получения PWM-сигнала надо активировать модуль и задать параметры его работы. Если такой модуль отсутствует, то ШИМ можно организовать чисто программным методом, это несложно. Этот способ дает более широкие возможности и предоставляет больше свободы за счёт гибкого использования выходов, но задействует большее количество ресурсов контроллера.
Характеристики ШИМ сигнала
Важными характеристиками ШИМ сигнала являются:
Амплитуда в вольтах задается в зависимости от нагрузки. Она должна обеспечивать номинальное напряжение питания потребителя.
Частота сигнала, модулируемого по ширине импульса, выбирается из следующих соображений:
Эти требования часто находятся в противоречии друг к другу, поэтому выбор частоты в некоторых случаях – это поиск компромисса.
Величину модуляции характеризует скважность. Так как частота следования импульсов постоянна, то постоянна и длительность периода (T=1/f). Период состоит из импульса и паузы, имеющих длительность, соответственно, tимп и tпаузы, причем tимп+tпаузы=Т. Скважностью называется отношение длительности импульса к периоду – S=tимп/T. Но на практике оказалось удобнее пользоваться обратной величиной – коэффициентом заполнения: D=1/S=T/tимп. Еще удобнее выражать коэффициент заполнения в процентах.
В чём отличия ШИМ от ШИР
В зарубежной технической литературе нет отличия между широтно-импульсной модуляцией и широтно-импульсным регулированием (ШИР). Российские же специалисты эти понятия пытаются разграничить. На самом деле ШИМ – это вид модуляции, то есть изменения несущего сигнала под действием другого, модулирующего. Несущий сигнал выполняет роль переносчика информации, а модулирующий задает эту информацию. А широтно-импульсное регулирование – это регулирование режима нагрузки с помощью ШИМ.
Причины и области применения ШИМ
Принцип широтно-импульсной модуляции используется в регуляторах частоты вращения мощных асинхронных двигателей. В этом случае модулирующий сигнал регулируемой частоты (однофазный или трехфазный) формируется маломощным генератором синусоиды и накладывается на несущую аналоговым способом. На выходе получается ШИМ-сигнал, который подается на ключи потребной мощности. Дальше можно пропустить получившуюся последовательность импульсов через фильтр низкой частоты, например через простую RC-цепочку, и выделить исходную синусоиду. Или можно обойтись без нее – фильтрация произойдет естественным образом за счёт инерции двигателя. Очевидно, что чем выше частота несущей, тем больше форма выходного сигнала близка к исходной синусоиде.
Возникает естественный вопрос – а почему нельзя усилить сигнал генератора сразу, например, применением мощных транзисторов? Потому что регулирующий элемент, работающий в линейном режиме, будет перераспределять мощность между нагрузкой и ключом. При этом на ключевом элементе впустую рассеивается значительная мощность. Если же мощный регулирующий элемент работает в ключевом режиме (тринистор, симистор, RGBT-транзистор), то мощность распределяется во времени. Потери будут намного ниже, а КПД – намного выше.
В цифровой технике особой альтернативы широтно-импульсному регулированию нет. Амплитуда сигнала там постоянна, менять напряжение и ток можно лишь промодулировав несущую по ширине импульса и впоследствии усреднив её. Поэтому ШИМ применяют для регулирования напряжения и тока на тех объектах, которые могут усреднять импульсный сигнал. Усреднение происходит разными способами:
Поэтому ШИМ применяют там, где решающую роль играет среднее значение напряжения или тока. Кроме упомянутых распространенных случаев, методом PWM регулируют средний ток в сварочных аппаратах и зарядных устройствах для аккумуляторных батарей и т.д.
Если естественное усреднение невозможно, во многих случаях эту роль на себя может взять уже упомянутый фильтр низкой частоты (ФНЧ) в виде RC-цепочки. Для практических целей этого достаточно, но надо понимать, что без искажений выделить исходный сигнал из ШИМ с помощью ФНЧ невозможно. Ведь спектр PWM содержит бесконечно большое количество гармоник, которые неизбежно попадут в полосу пропускания фильтра. Поэтому не стоит строить иллюзий по поводу формы восстановленной синусоиды.
Очень эффективно и эффектно управление методом ШИМ RGB-светодиодом. Этот прибор имеет три p-n перехода – красный, синий, зеленый. Изменяя раздельно яркость свечения каждого канала, можно получить практически любой цвет свечения LED (за исключением чистого белого). Возможности по созданию световых эффектов с помощью PWM безграничны.
Наиболее употребительная сфера применения цифрового сигнала, промодулированного по длительности импульса – регулирование среднего тока или напряжения, протекающего через нагрузку. Но возможно и нестандартное использование этого вида модуляции. Все зависит от фантазии разработчика.
Что такое импульсный блок питания и где применяется
Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется
Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы
Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция?
Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.
Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.
Примером линейного способа может послужить переменный резистор. При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.
В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ. В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation.
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:
Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D. А величина, обратная ему называется скважностью:
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:
А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:
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.
ШИМ – широтно-импульсная модуляция
ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.
Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.
В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.
Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.
В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.
Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).
Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.
Еще статьи по данной теме
Спасибо вам за вашу работу. Хотел бы предложить вам идею. Можно сделать такие видео, там например как очистить старые платы(разные способы) +как сделать из этих же плат новые(травление) и на них схемы собрать. Если вам идея понравилась скажите, если нет то тоже скажите.
Здравствуйте. Идея хорошая, только я ее не до конца понимаю. Точнее, не понимаю саму реализацию.
Дмитрий, ваши ролики стали для меня спасением в моем изучении радиотехники!
Решил обратиться к вам, может что подскажите или снимите ролик. По вашим видео начал разрабатывать схему ивентора с синусом изменяемой частоты от 0 до 20 кГц. С генератором треугольной формы разобрался, а с синусом (задаюший сигнал) оказалось сложней. Микрасхемы либо не способны выдавать нужную частоту, либо слабый сигнал, либо сильно искаженный сигнал. Есть ли какое-то решение этой проблемы?
Благодарю!
Здравствуйте вопрос
как называется величина, позволяющая качественно характеризовать ШИМ