Широкоимпульсная модуляция
Теперь поговорим о широтно-импульсной модуляции. В этой лекции мы поговорим о генерации сигналов. Сначала мы представим, что такое широтно-импульсная модуляция. Затем мы познакомимся с тем, как работает ШИМ в микроконтроллере FE310. И снова мы увидим аппаратное обеспечение из руководства и программное обеспечение в библиотеке Freedom Metal. Далее мы узнаем, как избежать дребезга кнопки. Дребезг - неизбежная проблема с кнопками, и мы узнаем, как ее решить. И на этом этапе мы получим возможность создать приложение для управления яркостью светодиодов. Затем мы сможем внести в это приложение несколько корректировок, чтобы превратить его в приложение для управления шаговыми сервоприводами.
Итак, давайте повеселимся!
К концу этой лекции, вы должны:
- Понимать принцип работы ШИМ
- Уметь описывать работу регистров конфигурации ШИМ в микроконтроллере FE310
- Управлять яркостью светодиода с помощью ШИМ
- Иметь четкое представление о том, как работают шаговые сервоприводы и как их использовать.
- Уметь подключать внешнее оборудование к Red-V Thing Plus для создания простых ШИМ-приложений.
ШИМ
Мысленный эксперимент
Широтно-импульсная модуляция, или сокращенно ШИМ, - это модное название очень простой техники передачи энергии. Она заключается в управлении количеством мощности, передаваемой на нагрузку с течением времени. Во многих случаях эта передаваемая мощность является средней по времени.
Начнем с мысленного эксперимента: рассмотрим два соседних дома на пляже, которые не заселены, и в каждом из них пока горит только одна лампочка.
Владелец дома А установил таймер, который включает 100-ваттную лампочку на 12 часов, а затем выключает ее на 12 часов каждый день.
Владелец дома Б просто установил 50-ваттную лампочку и держит ее включенной все время.
К концу месяца счет за электроэнергию будет одинаковым для обоих домов, потому что общее потребление энергии будет одинаковым.
Теперь ускорьте эксперимент в меньшем масштабе: представьте на минуту, что вы можете очень быстро включать и выключать выключатель. Насколько быстро? Ну, скажем, вы можете включить светодиод на 500 микросекунд и выключить еще на 500 микросекунд снова и снова, тысячу раз в секунду. Если бы вы могли это сделать, вы бы включали светодиод половину времени и выключали половину времени.
Оказалось, что светодиод будет светить в половину своей полной яркости. Это потому, что каждый раз, когда светодиод включен, он будет излучать свет с полной яркостью, а каждый раз, когда он выключен, он не будет излучать свет. Таким образом, в среднем он излучает свет с половиной своей полной яркости.
К счастью, люди не могут заметить, что светодиод мигает так быстро, поэтому мы склонны просто воспринимать среднюю яркость. Этот эффект известен как постоянство зрения, или сокращенно POV.
Конечно, человек не может управлять переключателем с такой скоростью, но схема может: цифровая схема, такая как микроконтроллер, способна периодически выдавать 5 В в течение 500 микросекунд и 0 В в течение 500 микросекунд. Подача этого сигнала на вышеуказанную пару резистор-светодиод (вместо батарейки и выключателя) позволит добиться того же, что и в нашем эксперименте с выключателем.
Прямоугольные волны
Сигнал, который приведет светодиод к уменьшению яркости в два раза, относится к семейству сигналов, известных как прямоугольные волны, которые имеют несколько параметров. Вот параметры, которые нас интересуют:
-
Амплитуда
Вертикальный размер сигнала (измеряется в вольтах для сигнала напряжения или в амперах для сигнала тока). Он может быть выражен в виде высокого и низкого значений, но в данном типе прямоугольной волны низкое значение равно 0. В нашем примере сигнал будет иметь высокое значение 5 В и низкое значение 0 В.
-
Период
Горизонтальный размер повторяющейся части волны (измеряется в секундах, миллисекундах или микросекундах). Для нашего примера сигнал имеет период 1 мс.
-
Частота
Частота повторения сигнала (измеряется в герцах). Она является обратной (взаимной) величиной периода. В нашем примере сигнал имеет частоту 1 кГц.
-
Ширина импульса
Это длительность высокой части волны (иногда это длительность низкой части, в этом случае делается различие). Этот параметр также является временем, поэтому он измеряется в секундах. В нашем примере сигнал имеет длительность импульса 500us (500 микросекунд).
-
Рабочий цикл
Отношение ширины импульса к периоду. Это процент, который выражает, сколько процентов от общего периода прямоугольный сигнал остается в состоянии высокого уровня. В нашем примере сигнал имеет рабочий цикл 500us/1,000us = 50%.
Здесь мы имеем 3 сигнала с одинаковым периодом, но разными рабочими циклами:
Рис. 4.2. Три периодических сигнала, показывающие рабочие циклы 50%, 75% и 25%, соответственно (Взято с сайта SparkFun Electronics, предоставлено по лицензии CC BY-SA 4.0)
Широтно-импульсная модуляция
Как уже говорилось, широтно-импульсная модуляция - это модное название чего-то очень простого.
В технике, модуляция - это процесс изменения параметров сигнала для передачи сообщения. Модифицированный сигнал называется несущим, а сообщение - модулирующим сигналом. Возможно, вы знакомы с амплитудной модуляцией и частотной модуляцией - диапазонами AM и FM в радиоприемнике.
Широтно-импульсная модуляция - это процесс изменения ширины импульса прямоугольной волны для передачи определенного процента мощности на нагрузку. В этом случае несущий сигнал - это прямоугольная волна, изменяющаяся в диапазоне от 0 до 1 (например, от 0 до 5 В или от 0 до 3,3 В), модулирующий сигнал - это процент мощности, которую мы хотим передать, а параметр несущего сигнала, который мы изменяем, - это ширина импульса. Поскольку период постоянен, ширина импульса должна иметь длительность между 0 и периодом.
Давайте снова рассмотрим пример ШИМ-сигналов:
