Moduł generatora SPWM (bez użycia mikrokontrolera): 14 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Witam wszystkich, witam w moim instruktażowym! Mam nadzieję, że wszyscy macie się świetnie. Ostatnio zainteresowałem się eksperymentowaniem z sygnałami PWM i natknąłem się na koncepcję SPWM (lub sinusoidalnej modulacji szerokości impulsu), w której cykl pracy ciągu impulsów jest modulowany przez falę sinusoidalną. Natknąłem się na kilka wyników, w których tego rodzaju sygnały SPWM można łatwo utworzyć za pomocą mikrokontrolera, w którym cykl pracy jest generowany za pomocą tabeli przeglądowej, która zawiera niezbędne wartości do zaimplementowania fali sinusoidalnej.

Chciałem wygenerować taki sygnał SPWM bez mikrokontrolera i dlatego jako serce systemu wykorzystałem Wzmacniacze Operacyjne.

Zacznijmy!

Kieszonkowe dzieci

1. LM324 Poczwórny układ scalony wzmacniacza operacyjnego
2. Układ scalony podwójnego komparatora LM358
3. 14-pinowa podstawa/gniazdo IC
4. Rezystory 10K-2
5. Rezystory 1K-2
6. Rezystory 4,7K-2
7. Rezystory 2,2K-2
8. Rezystor zmienny 2K (ustawienie wstępne)-2
9. Kondensator ceramiczny 0,1uF-1
10. Kondensator ceramiczny 0,01uF-1
11. 5-pinowy męski nagłówek
12. Veroboard lub perfboard
13. Pistolet na gorący klej
14. Sprzęt lutowniczy

Krok 1: Teoria: Wyjaśnienie generowania sygnału dla SPWM

Aby wygenerować sygnały SPWM bez mikrokontrolera, potrzebujemy dwóch trójkątnych fal o różnych częstotliwościach (ale najlepiej, aby jedna była wielokrotnością pozostałych). Kiedy te dwie trójkątne fale są porównywane ze sobą za pomocą komparatora IC, takiego jak LM358, otrzymujemy wymagany sygnał SPWM. Komparator daje wysoki sygnał, gdy sygnał na końcówce nieodwracającej wzmacniacza OpAmp jest większy niż sygnał na końcówce odwracającej. Tak więc, gdy fala trójkątna wysokiej częstotliwości jest podawana na styk nieodwracający, a fala trójkątna niskiej częstotliwości jest podawana do pinu odwracającego komparatora otrzymujemy wiele przypadków, w których sygnał na terminalu nieodwracającym zmienia amplitudę kilka razy przed sygnałem na terminalu odwracającym. Pozwala to na sytuację, w której wyjście OpAmp jest ciągiem impulsów, których cykl pracy jest regulowany przez interakcję dwóch fal.

Krok 2: Schemat obwodu: wyjaśnienie i teoria

To jest schemat całego projektu SPWM składającego się z dwóch generatorów przebiegów i komparatora.

Falę trójkątną można utworzyć przy użyciu 2 wzmacniaczy operacyjnych, a zatem dla dwóch fal wymagane będą łącznie 4 OpApms. Do tego celu wykorzystałem pakiet quad OpAmp LM324.

Zobaczmy, jak faktycznie generowane są fale trójkątne.

Początkowo pierwszy OpAmp działa jako integrator, którego nieodwracający pin jest podłączony do potencjału (Vcc/2) lub połowy napięcia zasilania za pomocą sieci dzielnika napięcia złożonej z 2 rezystorów 10 kiloomów. Używam 5V jako zasilania, więc nieodwracający pin ma potencjał 2,5 wolta. Wirtualne połączenie pinu odwracającego i nieodwracającego pozwala nam również przyjąć potencjał 2,5 V na pin odwracający, który powoli ładuje kondensator. Gdy tylko kondensator zostanie naładowany do 75% napięcia zasilania, wyjście drugiego wzmacniacza operacyjnego, który jest skonfigurowany jako komparator, zmienia się z niskiego na wysoki. To z kolei zaczyna rozładowywać kondensator (lub rozpada się) i gdy tylko napięcie na kondensatorze spadnie poniżej 25 procent napięcia zasilania, moc wyjściowa komparatora zostaje ponownie obniżona, co ponownie zaczyna ładować kondensator. Ten cykl zaczyna się od nowa i mamy trójkątny ciąg fal. Częstotliwość fali trójkątnej zależy od wartości użytych rezystorów i kondensatorów. Możesz odwołać się do obrazu w tym kroku, aby uzyskać wzór na obliczenie częstotliwości.

Dobra, więc część teoretyczna skończona. Zaczynajmy budować!

Krok 3: Zbieranie wszystkich wymaganych części

Zdjęcia przedstawiają wszystkie części potrzebne do wykonania modułu SPWM. Zamontowałem układy scalone na odpowiedniej podstawie IC, aby w razie potrzeby można je było łatwo wymienić. Możesz również dodać kondensator 0,01uF na wyjściu fal trójkątnych i SPWM, aby uniknąć wszelkich wahań sygnału i utrzymać stabilny wzór SPWM.

Wyciąłem wymagany kawałek veroboardu, aby odpowiednio dopasować elementy.

Krok 4: Wykonanie obwodu testowego

Teraz, zanim zaczniemy lutować części, konieczne jest upewnienie się, że nasz obwód działa zgodnie z oczekiwaniami, dlatego konieczne jest przetestowanie naszego obwodu na płytce prototypowej i wprowadzenie zmian w razie potrzeby. Powyższy obrazek pokazuje prototyp mojego układu na płytce prototypowej.

Krok 5: Obserwacja sygnałów wyjściowych

Aby upewnić się, że nasz przebieg wyjściowy jest poprawny, niezbędne staje się użycie oscyloskopu do wizualizacji danych. Ponieważ nie posiadam profesjonalnego DSO ani żadnego oscyloskopu, kupiłem sobie ten tani oscyloskop - DSO138 od Banggood. Działa dobrze do analizy sygnału o niskiej i średniej częstotliwości. Na potrzeby naszej aplikacji będziemy generować fale trójkątne o częstotliwościach 1KHz i 10KHz, które można łatwo zwizualizować na tym oscyloskopie. Oczywiście można uzyskać znacznie bardziej wiarygodne informacje o sygnałach na profesjonalnym oscyloskopie, ale do szybkiej analizy ten model sprawdza się doskonale!

Krok 6: Obserwacja sygnałów trójkątnych

Powyższe obrazy pokazują dwie fale trójkątne generowane z dwóch obwodów generowania sygnału.

Krok 7: Obserwacja sygnału SPWM

Po pomyślnym wygenerowaniu i zaobserwowaniu fal trójkątnych, przyjrzymy się teraz przebiegowi SPWM, który jest generowany na wyjściu komparatora. Odpowiednie dopasowanie podstawy oscyloskopu pozwala na prawidłową analizę sygnałów.

Krok 8: Przylutowanie części do płyty perforowanej

Teraz, gdy mamy wypróbowany i przetestowany nasz obwód, w końcu zaczynamy lutować komponenty do veroboard, aby uczynić go bardziej trwałym. Lutujemy bazę IC wraz z opornikami, kondensatorami i opornikami zmiennymi według schematu. Ważne jest, aby rozmieszczenie komponentów było takie, że musimy użyć minimalnej liczby przewodów, a większość połączeń można wykonać za pomocą ścieżek lutowniczych.

Krok 9: Zakończenie procesu lutowania

Po około 1 godzinie lutowania byłem skończony ze wszystkimi połączeniami i tak w końcu wygląda moduł. Jest dość mały i kompaktowy.

Krok 10: Dodawanie gorącego kleju, aby zapobiec szortom

Aby zminimalizować jakiekolwiek spodenki, szorty lub przypadkowy kontakt metaliczny po stronie lutowania postanowiłem zabezpieczyć ją warstwą gorącego kleju. Utrzymuje połączenia nienaruszone i odizolowane od przypadkowego kontaktu. W tym celu można nawet użyć taśmy izolacyjnej.

Krok 11: Pin-out modułu

Powyższy obrazek pokazuje pinout modułu, który wykonałem. Mam w sumie 5 męskich pinów nagłówka, z których dwa są do zasilania (Vcc i Gnd), jeden pin do obserwacji szybkiej fali trójkątnej, drugi pin do obserwacji wolnej fali trójkątnej, a na końcu ostatni pin to SPWM wyjście. Trójkątne kołki fali są ważne, jeśli chcemy dostroić częstotliwość fali.

Krok 12: Regulacja częstotliwości sygnałów

Potencjometry służą do precyzyjnego dostrajania częstotliwości każdego sygnału fali trójkątnej. Wynika to z faktu, że nie wszystkie komponenty są idealne, a zatem wartość teoretyczna i praktyczna może się różnić. Można to skompensować, dostosowując ustawienia wstępne i odpowiednio patrząc na wyjście oscyloskopu.

Krok 13: Plik schematu

Załączam schemat dla tego projektu. Zapraszam do modyfikowania go zgodnie z własnymi potrzebami.

Mam nadzieję, że podoba Ci się ten samouczek.

Podziel się swoimi opiniami, sugestiami i pytaniami w komentarzach poniżej.

Do następnego razu:)