Модуль генератора SPWM (без использования микроконтроллера): 14 шагов

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-13 06:58

Всем привет, добро пожаловать в мой наставник! Надеюсь, у вас все отлично. Недавно я заинтересовался экспериментами с сигналами ШИМ и наткнулся на концепцию SPWM (или синусоидальной широтно-импульсной модуляции), в которой рабочий цикл последовательности импульсов модулируется синусоидальной волной. Я обнаружил несколько результатов, в которых такие сигналы SPWM можно легко создать с помощью микроконтроллера, рабочий цикл которого генерируется с помощью таблицы поиска, содержащей необходимые значения для реализации синусоидальной волны.

Я хотел сгенерировать такой сигнал SPWM без микроконтроллера, поэтому я использовал операционные усилители как сердце системы.

Давайте начнем!

Запасы

1. ИС с четырьмя ОУ LM324
2. LM358 двойной компаратор IC
3. 14-контактное основание / гнездо IC
4. Резисторы 10К-2
5. Резисторы 1К-2
6. Резисторы-2 4,7 кОм
7. Резисторы 2.2К-2
8. Переменный резистор 2K (предустановленный) -2
9. Конденсатор керамический 0,1 мкФ-1
10. Конденсатор керамический 0,01 мкФ-1
11. 5-контактный штекер
12. Верофон или перфокарт
13. Пистолет для горячего клея
14. Паяльное оборудование

Шаг 1: Теория: объяснение генерации сигналов для SPWM

Чтобы генерировать сигналы SPWM без микроконтроллера, нам нужны две треугольные волны разных частот (но желательно, чтобы одна была кратной другой). Когда эти две треугольные волны сравниваются друг с другом с помощью компаратора IC, такого как LM358, мы получаем наш требуемый сигнал SPWM. Компаратор выдает высокий сигнал, когда сигнал на неинвертирующем выводе операционного усилителя больше, чем сигнал на инвертирующем выводе. Таким образом, когда высокочастотная треугольная волна подается на неинвертирующий вывод, а низкочастотная треугольная волна подается на инвертирующий вывод компаратора, мы получаем несколько случаев, когда сигнал на неинвертирующем выводе меняет амплитуду несколько раз перед сигналом на инвертирующем выводе. Это позволяет создать условия, при которых выходной сигнал операционного усилителя представляет собой последовательность импульсов, рабочий цикл которых определяется тем, как две волны взаимодействуют друг с другом.

Шаг 2: Принципиальная схема: объяснение и теория

Это принципиальная схема всего проекта SPWM, состоящего из двух генераторов сигналов и компаратора.

Треугольную волну можно создать с помощью 2 операционных усилителей, поэтому для двух волн потребуется в общей сложности 4 операционного усилителя в минуту. Для этой цели я использовал пакет Quad OpAmp LM324.

Давайте посмотрим, как на самом деле генерируются треугольные волны.

Первоначально первый операционный усилитель действует как интегратор, чей неинвертирующий вывод связан с потенциалом (Vcc / 2) или половиной напряжения питания с помощью цепи делителя напряжения из 2 резисторов по 10 кОм. Я использую 5 В в качестве источника питания, поэтому неинвертирующий контакт имеет потенциал 2,5 В. Виртуальное соединение инвертирующего и неинвертирующего вывода также позволяет предположить наличие потенциала 2,5 В на инвертирующем выводе, который медленно заряжает конденсатор. Как только конденсатор заряжается до 75 процентов напряжения питания, выходной сигнал другого операционного усилителя, который сконфигурирован как компаратор, переключается с низкого на высокий. Это, в свою очередь, начинает разряжать конденсатор (или дезинтегрировать), и как только напряжение на конденсаторе падает ниже 25 процентов напряжения питания, выход компаратора снова становится низким, что снова начинает заряжать конденсатор. Этот цикл начинается снова, и у нас есть последовательность треугольных волн. Частота треугольной волны определяется номиналом используемых резисторов и конденсаторов. Вы можете обратиться к изображению на этом шаге, чтобы получить формулу для расчета частоты.

Итак, теоретическая часть закончена. Приступаем к строительству!

Шаг 3: Сбор всех необходимых деталей

На изображениях показаны все детали, необходимые для изготовления модуля SPWM. Я установил ИС на соответствующее основание ИС, чтобы их можно было легко заменить в случае необходимости. Вы также можете добавить конденсатор 0,01 мкФ на выходе треугольной волны и волны SPWM, чтобы избежать каких-либо колебаний сигнала и сохранить стабильность шаблона SPWM.

Я вырезал необходимый кусок верёвочного картона, чтобы правильно подогнать компоненты.

Шаг 4: создание тестовой схемы

Теперь, прежде чем мы приступим к пайке деталей, необходимо убедиться, что наша схема работает должным образом, и поэтому очень важно протестировать нашу схему на макетной плате и при необходимости внести изменения. На изображении выше показан прототип моей схемы на макетной плате.

Шаг 5: наблюдение за выходными сигналами

Чтобы убедиться, что форма выходного сигнала верна, становится важным использовать осциллограф для визуализации данных. Поскольку у меня нет профессионального DSO или какого-либо осциллографа, я купил себе этот дешевый осциллограф DSO138 от Banggood. Он отлично работает для анализа сигналов от низких до средних частот. Для нашего приложения мы будем генерировать треугольные волны с частотами 1 кГц и 10 кГц, которые можно легко визуализировать на этом телескопе. Конечно, вы можете получить гораздо более достоверную информацию о сигналах на профессиональном осциллографе, но для быстрого анализа эта модель отлично работает!

Шаг 6: наблюдение треугольных сигналов

На изображениях выше показаны две треугольные волны, генерируемые двумя схемами генерации сигналов.

Шаг 7: Наблюдение за сигналом SPWM

После успешной генерации и наблюдения треугольных волн мы теперь рассмотрим форму волны SPWM, которая генерируется на выходе компаратора. Соответствующая регулировка связующей базы осциллографа позволяет нам правильно анализировать сигналы.

Шаг 8: Припаиваем детали к монтажной плате

Теперь, когда мы опробовали и протестировали нашу схему, мы, наконец, приступаем к пайке компонентов на вертикальной плате, чтобы сделать ее более прочной. Припаиваем основание ИС вместе с резисторами, конденсаторами и переменными резисторами согласно схеме. Важно, чтобы размещение компонентов было таким, чтобы мы использовали минимальное количество проводов, а большинство соединений можно было выполнить с помощью следов припоя.

Шаг 9: Завершение процесса пайки

Примерно через 1 час пайки я был готов со всеми подключениями, и вот как наконец выглядит модуль. Он довольно маленький и компактный.

Шаг 10: добавление горячего клея для предотвращения коротких замыканий

Чтобы свести к минимуму любые короткие замыкания, короткие замыкания или случайный металлический контакт со стороны припоя, я решил защитить его слоем горячего клея. Он сохраняет соединения неповрежденными и изолированными от случайного контакта. Можно даже использовать изоленту, чтобы сделать то же самое.

Шаг 11: Распиновка модуля

На изображении выше показана распиновка модуля, который я сделал. У меня есть в общей сложности 5 штыревых выводов, два из которых предназначены для питания (Vcc и Gnd), один вывод предназначен для наблюдения за быстрой треугольной волной, другой вывод для наблюдения за медленной треугольной волной и, наконец, последний вывод - это SPWM. выход. Треугольные штыри волны важны, если мы хотим точно настроить частоту волны.

Шаг 12: Регулировка частоты сигналов

Потенциометры используются для точной настройки частоты каждого сигнала треугольной волны. Это связано с тем, что не все компоненты идеальны, и поэтому теоретическая и практическая ценность может отличаться. Это можно компенсировать, настроив предварительные настройки и, соответственно, посмотрев на выходной сигнал осциллографа.

Шаг 13: файл схемы

Я приложил схематический план этого проекта. Не стесняйтесь изменять его в соответствии с вашими потребностями.

Надеюсь, вам понравился этот урок.

Пожалуйста, поделитесь своими отзывами, предложениями и вопросами в комментариях ниже.

До скорого:)