» »

Преобразователь шим сигнала в аналоговый. Как из шима получить постоянное напряжение

ШИМ или PWM (англ. Pulse-Width Modulation) — широтно-импульсная модуляция — это метод предназначен для контроля величины напряжения и тока. Действие ШИМ заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды и постоянной частотой.

Свойства ШИМ регулирования используются в импульсных преобразователях, в схемах управления двигателями постоянного тока или яркостью свечения светодиодов.

Принцип действия ШИМ

Принцип действия ШИМ, как указывает на это само название, заключается в изменении ширины импульса сигнала. При использовании метода широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда остаются постоянными. Самым важным параметром сигнала ШИМ является коэффициент заполнения, который можно определить по следующей формуле:

Также можно отметить, что сумма времени высокого и низкого сигнала определяет период сигнала:

  • Ton — время высокого уровня
  • Toff — время низкого уровня
  • T — период сигнала

Время высокого уровня и время низкого уровня сигнала показано на нижнем рисунке. Напряжение U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть его амплитуда.

На следующем рисунке представлен пример сигнала ШИМ с определенным временным интервалом высокого и низкого уровня.

Расчет коэффициента заполнения ШИМ

Расчет коэффициента заполнения ШИМ на примере:

Для расчета процентного коэффициента заполнения необходимо выполнить аналогичные вычисления, а результат умножить на 100%:

Как следует из расчета, на данном примере, сигнал (высокого уровня) характеризуется заполнением, равным 0,357 или иначе 37,5%. Коэффициент заполнения является абстрактным значением.

Важной характеристикой широтно-импульсной модуляции может быть также частота сигнала, которая рассчитывается по формуле:

Значение T, в нашем примере, следует взять уже в секундах для того, чтобы совпали единицы в формуле. Поскольку, формула частоты имеет вид 1/сек, поэтому 800ms переведем в 0,8 сек.

Благодаря возможности регулировки ширины импульса можно изменять, например, среднее значение напряжения. На рисунке ниже показаны различные коэффициенты заполнения при сохранении той же частоты сигналов и одной и той же амплитуды.

Для вычисления среднего значения напряжения ШИМ необходимо знать коэффициент заполнения, поскольку среднее значение напряжения является произведением коэффициента заполнения и амплитуды напряжения сигнала.
Для примера, коэффициент заполнения был равен 37,5% (0,357) и амплитуда напряжения U1 = 12В даст среднее напряжение Uср:

В этом случае среднее напряжение сигнала ШИМ составляет 4,5 В.

ШИМ дает очень простую возможность понижать напряжение в диапазоне от напряжения питания U1 и до 0. Это можно использовать, например, для , или скорости вращения двигателя DC (постоянного тока), питающиеся от величины среднего напряжения.

Сигнал ШИМ может быть сформирован микроконтроллером или аналоговой схемой. Сигнал от таких схем характеризуется низким напряжением и очень малым выходным током. В случае необходимости регулирования мощных нагрузок, следует использовать систему управления, например, с помощью транзистора.

Это может быть биполярный или полевой транзистор. На следующих примерах будет использован .



Пример управления светодиодом при помощи ШИМ.

Сигнал ШИМ поступает на базу транзистора VT1 через резистор R1, иначе говоря, транзистор VT1 с изменением сигнала то включается, то выключается. Это подобно ситуации, при которой транзистор можно заменить обычным выключателем, как показано ниже:


Когда переключатель замкнут, светодиод питается через резистор R2 (ограничивающий ток) напряжением 12В. А когда переключатель разомкнут, цепь прерывается, и светодиод гаснет. Такие переключения с малой частотой в результате дадут .

Однако, если необходимо управлять интенсивностью свечения светодиодов необходимо увеличить частоту сигнала ШИМ, так, чтобы обмануть человеческий глаз. Теоретически переключения с частотой 50 Гц уже не незаметны для человеческого глаза, что в результате дает эффект уменьшения яркости свечения светодиода.

Чем меньше коэффициент заполнения, тем слабее будет светиться светодиод, поскольку во время одного периода светодиод будет гореть меньшее время.

Такой же принцип и подобную схему можно использовать и для . В случае двигателя необходимо, однако, применять более высокую частоту переключений (выше 15-20 кГц) по двум причинам.

Первая из них касается звука, какой может издавать двигатель (неприятный писк). Частота 15-20 кГц является теоретической границей слышимости человеческого уха, поэтому частоты выше этой границы будут неслышны.

Второй вопрос касается стабильности работы двигателя. При управлении двигателем низкочастотным сигналом с малым коэффициентом заполнения, обороты двигателя будут нестабильны или может привести к его полной остановке. Поэтому, чем выше частота сигнала ШИМ, тем выше стабильность среднего выходного напряжения. Также меньше пульсаций напряжения.

Не следует, однако, слишком завышать частоту сигнала ШИМ, так как при больших частотах транзистор может не успеть полностью открыться или закрыться, и схема управления будет работать не правильно. Особенно это относится к полевым транзисторам, где время перезарядки может быть относительно большое, в зависимости от конструкции.

Слишком высокая частота сигнала ШИМ также вызывает увеличение потерь на транзисторе, поскольку каждое переключение вызывает потери энергии. Управляя большими токами на высоких частотах необходимо подобрать быстродействующий транзистор с низким сопротивлением проводимости.

Управляя , следует помнить о применении диода для защиты транзистор VТ1 от индукционных всплесков, появляющимся в момент выключения транзистора. Благодаря использованию диода, индукционный импульс разряжается через него и внутреннее сопротивление двигателя, защищая тем самым транзистор.



Схема системы управления скоростью вращения двигателя постоянного тока с защитным диодом.

Для сглаживания всплесков питания между клеммами двигателя, можно подключить к ним параллельно конденсатор небольшой емкости (100nF), который будет стабилизировать напряжение между последовательными переключениями транзистора. Это также снизит помехи, создаваемые частыми переключениями транзистора VT1.

На наш взгляд, первое, с чего можно начать знакомство с платформой Arduino это её цифровые выводы. Они нам пригодятся для подключения различной периферии: светодиоды, реле модули и т.п

На плате Arduino UNO их 14 (D0-D13). Они могут работать как входы, как выходы и как выходы с поддержкой ШИМ.

Конфигурация выводов как вход либо выход задается в void setup

pinMode (3, OUTPUT ); // Инициализируем цифровой pin 3 как вход pinMode (3, INPUT );

1) Цифровые выходы

После конфигурации цифрового вывода как выхода, мы можем придать ему два значения:

// Устанавливает высокий уровень напряжения на 3 пине digitalWrite (3, HIGH ); // Устанавливает низкий уровень напряжения на 3 пине digitalWrite (3, LOW );

При высоком уровне выход работает как "источник питания" с напряжением 5 Вольт, при низком же уровне выход соединяется с землей МК. В двух этих режимах порт может выдать либо принять ток до 40мА. Это позволит подключать к плате Arduino маломощные нагрузки. При превышении тока в 40мА может выгореть либо отдельно порт, либо весь камень.

Пример на практике

В качестве первого примера выполним некий "Hello, World!" в тематике Arduino - помигаем светодиодом.

Плата Arduino уже имеет на своем борту встроенный светодиод подключенный к выводу D13. Можно использовать и его, но в качестве примера соберем первую схемку на макетной плате.

2) Цифровые выходы с поддержкой ШИМ

ШИМ (Широтно-Импульсная Модуляция) или PWM (Pulse Width Modulation) представляет собой программное, завязанное на внутренний таймер контроллера, чередование высокого и низкого уровней на порту контроллера с задаваемой скважностью. ШИМ это очень полезная штука, которая пригодится для регулирования яркости светодиодов либо управления скоростью вращения моторов ().

Не все цифровые выводы имеют поддержку ШИМ. У Arduino UNO их 6 (D3, D5, D6, D9, D10, D11). У других плат количество может отличаться. Смотрите в спецификации.

В программном коде скважность задается числом от 0(min) до 255(max)

// Устанавливает ШИМ сигнал на 3 пине со скважностью 150 analogWrite (3, 150);

Пример на практике

В качестве наглядного примера поупрявляем яркостью светодиода с помощью ШИМ модуляции.

Как уже говорилось, Arduino имеет на своем борту встроенный светодиод подключенный к выводу D13. Однако, этот вывод не имеет поддержки ШИМ. ШИМ поддержку имеет вывод D3. К нему, как и в предыдущем примере, мы подключим светодиод

Для эксперимента нам понадобятся:

Описание примера:

При установке высокого уровня (HIGH ), на выводе D3 появляется напряжение, которое протекая через светодиод (LED1) заставляет его светиться. При установке низкого уровня (LOW ), напряжение больше не подается и светодиод не горит. Резистор (R1) необходим для ограничения потребляемого светодиодом тока.

Скважность ШИМ сигнала, по сути своей, задает интервалы чередования высокого и низкого уровня, т.е. зажигает и гасит светодиод. Благодаря инертности нашего зрения, при частоте мерцания светодиода свыше определенного значения, наш мозг перестает воспринимать реально происходящие мерцания и воспринимает картинку как изменение яркости свечения.

Принципиальная схема остается такой же как и в первом примере.

На реальной макетной плате всё будет выглядеть следующим образом:

Примечания по сборке:

Вывод D3 соединяется с анодом светодиода, а катод уходит на резистор. У резистора нет полярности и его можно устанавливать любой стороной.

Пример программного кода:

// Присваиваем имя цифровому выводу 3 int led = 3; void setup () { // Инициализируем цифровой pin 3 как выход pinMode (led, OUTPUT ); } void loop () { /* Задаем значение ШИМ равное 25 (10% от max) Иными словами (1/10 времени HIGH, 9/10 LOW) Такое мигание находится в диапазоне воспринимаемой человеком. Глаз видит мигание */ analogWrite (led, 25); delay (4000); // Ждем 4 секунды /* Задаем значение ШИМ равное 150 (60% от max) Иными словами (6/10 времени HIGH, 4/10 LOW) Частота смены картинки велика, выше воспринимаемой глазом человека, но не максимальна Глаз воспринимает как постоянно горящий светодиод с определенной яркостью */ analogWrite (led, 150); delay (4000); /* Задаем значение ШИМ равное 255 (100% от max) Иными словами (10/10 времени HIGH, 0/10 LOW) При максимальном значении ШИМ светодиод горит постоянно */ analogWrite (led, 255); delay (4000); // И для финального примера прогоним значения ШИМ от min до max for (int i = 0; i < 255; i++) { analogWrite (led, i); delay (50); } for (int i = 255; i > 0; i--) { analogWrite (led, i); delay (50); } }

3) Цифровые входы

Как уже говорилось, цифровые выводы могут использоваться как входы. Самым ярким примером использования данной возможности является подключение кнопки. Чтение производится функцией.

// Считываем значение с цифрового порта 4 digitalRead (4);

В ответ получаем значения HIGH или LOW .

Если к считываемому порту ничего не подключено, то функция digitalRead () может беспорядочно возвращать значения HIGH или LOW. Во избежание ложных срабатываний, входы необходимо подтягивать резистором 10-20кОм. При замыкании кнопки на землю - подтягивать к питанию, при замыкании на питание - к земле.

Например);

  • резистор номиналом 190…240 Ом (вот отличный набор резисторов самых распространённых номиналов);
  • персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.

    • Инструкция по использованию ШИМ в Arduino

    1 Общие сведения о широтно-импульсной модуляции

    Цифровые выводы Arduino могут выдавать только два значения: логический 0 (LOW, низкий уровень) и логическую 1 (HIGH, высокий). На то они и цифровые. Но есть у Ардуино «особые» выводы, которые обозначаются PWM . Их иногда обозначают волнистой чертой "~" или обводят кружочками или ещё как-то выделяют среди прочих. PWM расшифровывается как Pulse-width modulation или широтно-импульсная модуляция , ШИМ .

    Широтно-импульсно модулированный сигнал - это импульсный сигнал постоянной частоты, но переменной скважности (соотношение длительности импульса и периода его следования). Из-за того, что большинство физических процессов в природе имеют инерцию, то резкие перепады напряжения от 1 к 0 будут сглаживаться, принимая некоторое среднее значение. С помощью задания скважности можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.

    Если скважность равняется 100%, то всё время на цифровом выходе Arduino будет напряжение логическая "1" или 5 вольт. Если задать скважность 50%, то половину времени на выходе будет логическая "1", а половину - логический "0", и среднее напряжение будет равняться 2,5 вольтам. Ну и так далее.


    В программе скважность задаётся не в процентах, а числом от 0 до 255. Например, команда analogWrite(10, 64) скажет микроконтроллеру подать на цифровой PWM выход №10 сигнал со скважностью 25%.

    Выводы Arduino с функцией широтно-импульсной модуляции работают на частоте около 500 Гц. Значит, период следования импульсов - около 2 миллисекунд, что и отмеряют зелёные вертикальные штрихи на рисунке.

    Получается, что мы можем сымитировать аналоговый сигнал на цифровом выходе! Интересно, правда?!

    Как же мы можем использовать ШИМ? Применений масса! Например, управлять яркостью светодиода, скоростью вращения двигателя, током транзистора, звуком из пьезоизлучателя и т.д.…

    2 Схема для демонстрации широтно-импульсной модуляции в Arduino

    Давайте рассмотрим самый базовый пример - управление яркостью светодиода с помощью ШИМ. Соберём классическую схему.


    3 Пример скетча с ШИМ

    Откроем из примеров скетч "Fade": Файл Образцы 01.Basics Fade .


    Немного изменим его и загрузим в память Arduino.

    Int ledPin = 3; // объявляем пин, управляющий светодиодом int brightness = 0; // переменная для задания яркости int fadeAmount = 5; // шаг изменения яркости void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); } void loop() { analogWrite(ledPin, brightness); // устанавливаем яркость brightness на выводе ledPin brightness += fadeAmount; // изменяем значение яркости /* при достижении границ 0 или 255 меняем направление изменения яркости */ if (brightness == 0 || brightness == 255) { fadeAmount = -fadeAmount; // изменяем знак шага } delay(30); // задержка для большей видимости эффекта }

    4 Управление яркостью светодиода с помощью PWM и Arduino

    Включаем питание. Светодиод плавно наращивает яркость, а затем плавно уменьшает. Мы сымитировали аналоговый сигнал на цифровом выходе с помощью широтно-импульсной модуляции.


    Посмотрите приложенные видео, где наглядно показано изменение яркости светодиода, на подключённом осциллографе видно, как при этом меняется сигнал с Arduino.


    "Документация" - техническая информация по применению электронных компонентов , особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем , а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).

    Фирма Microchip продолжает разработку и производство передовых продуктов, предоставляющих пользователю большую функциональность, гибкость и надежность. Микроконтроллеры PICmicro используются во многих приборах повседневного спроса - от стиральных машин и автомобильной техники до медицинских приборов. Модуль сравнения, захвата и ШИМ (ССР), который присутствует во многих микроконтроллерах Microchip, используется в основном для измерения и формирования импульсных сигналов. Расширенный модуль ССР (enhanced CCP - ECCP), имеющийся во многих новых микроконтроллерах, предоставляет дополнительные возможности для формирования широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Модуль ЕССР обеспечивает поддержку управления мостовыми и полумостовыми схемами управления, программируемое время задержки переключения (для предотвращения протекания сквозных токов через внешние силовые ключи, связанного с их разным временем переключения) и возможность автоматического выключения ШИМ при аварийных ситуациях. Модули ССР и ЕССР имеют широкие области применения. Эта статья описывает основные принципы использования данных модулей в каждом режиме, а также "нестандартные" варианты использования в практических решениях.

    Модуль захвата (capture)

    В режиме захвата 16-битное значение таймера (Timer 1) захватывается в регистр CCPRxH:CCPRxL при каждом событии на входе CCPx. Событие для захвата задается в регистре CCPxCON:
    • каждый спад входного сигнала;
    • каждый фронт входного сигнала;
    • каждый 4-й фронт входного сигнала;
    • каждый 16-й фронт входного сигнала.

    Модуль захвата используется для измерения длительности между двумя событиями, например периода, длительности импульса, скважности и т. п.

    Пример 1. Измерение периода дискретного сигнала (рис. 1).

    Рис. 1. Измерение периода

      • вычитаем сохраненное время (t1) из захваченного значения времени (t2) и сохраняем результат периода Т;
      • сохраняем захваченное время t2.

    Пример 2. Измерение периода с усреднением результата (рис. 2).


    Рис. 2. Измерение периода с усреднением результата

    Усреднение результата измерений часто требуется при зашумленном входном сигнале. Модуль ССР в PIC-контроллерах Microchip позволяет выполнить усреднение с минимальными программными издержками.

    1. Конфигурируем управляющие биты CCPxM3:CCPxM0 (CCPxCON) на захват по каждому 16-му фронту входного сигнала.
    2. Конфигурируем предделитель Timer1 так, чтобы не происходило переполнение таймера за измеряемое время.
    3. Разрешаем прерывание от CCP (бит CCPxIE).
    4. При возникновении прерывания:
      • вычитаем сохраненное время (t1) из захваченного значения времени (t2) и сохраняем результат 16 периодов (168Т);
      • сохраняем захваченное время t2;
      • сдвигаем полученный результат на 4 шага вправо (деление на 16) - получаем усредненный результат за 16 периодов.

    Пример 3. Измерение длительности импульса (рис. 3).


    Рис. 3. Измерение длительности импульса

    1. Конфигурируем управляющие биты CCPxM3:CCPxM0 (CCPxCON) на захват по каждому фронту входного сигнала.
    2. Конфигурируем предделитель Timer1 так, чтобы не происходило переполнение таймера за время измеряемого импульса.
    3. Разрешаем прерывание от CCP (бит CCPxIE).
    4. При следующем прерывании вычитаем из t1 новое захваченное значение. Результат будет соответствовать длительности импульса.

    Пример 4. Измерение скважности импульсов (рис. 4).


    Рис. 4. Измерение скважности импульсов

    Типичный пример, где требуется такого рода измерение - это измерение ускорения. Цифровые акселерометры обычно имеют выходной сигнал со скважностью, пропорциональной ускорению движения прибора. Скважность можно измерять по следующему алгоритму.

    1. Конфигурируем управляющие биты CCPxM3:CCPxM0 (CCPxCON) на захват по каждому фронту входного сигнала.
    2. Конфигурируем предделитель таймера 1 так, чтобы не происходило переполнение таймера за время TMAX (максимально возможная длительность периода).
    3. Разрешаем прерывание от CCP (бит CCPxIE).
    4. При возникновении прерывания сохраняем захваченное значение таймера (t1) и переконфигурируем захват по спаду импульса.
    5. При следующем прерывании вычитаем из t1 новое захваченное значение t2. Этот результат будет соответствовать длительности импульса (W).
    6. Переконфигурируем модуль ССР на захват по следующему фронту импульса.
    7. При возникновении прерывания вычитаем из t1 новое захваченное значение t3. Этот результат будет соответствовать периоду (Т).
    8. Разделить значение T на W - получим значение скважности.
    9. Повторять пп. 4-8 для получения следующих значений скважности.

    Пример 5. Измерение скорости вращения энкодера.


    Рис. 5. Оптический энкодер

    Скорость вращения энкодера может быть измерена разными способами. Два наиболее часто встречающихся типа датчиков в энкодерах - это оптический сенсор и датчики Холла. Оптические энкодеры используют инфракрасный светодиод и датчик, а также колесо с прорезями, модулирующими световой поток (рис. 5). Другой тип использует чувствительные к магнитному полю датчики Холла, с помощью которых можно определять положение магнитов в электромоторе или постоянных магнитов, закрепленных на вращающемся объекте (рис. 6).


    Рис. 6. Энкодер с датчиками Холла

    Такой датчик выдает один или несколько импульсов на один оборот объекта. На рис. 7 показаны временные диаграммы при разных скоростях вращения. При увеличении скорости вращения период импульсов и их длительность становятся меньше. Период и длительность импульса пропорциональны скорости вращения. Для получения большей разрешающей способности лучше использовать датчики с несколькими импульсами на 1 оборот. Описание измерения периода для определения скорости вращения энкодера см. в примере 1, а метод усреднения измерений периода - в примере 2.


    Рис. 7. Выход энкодера при разных скоростях вращения

    Пример 6. Измерение периода аналогового сигнала.


    Рис. 8. Схема измерения периода аналогового сигнала

    Микроконтроллер со встроенным аналоговым компаратором и модулем CCP или ЕССР может быть легко использован для измерения периода аналогового сигнала. На рис. 8 приведен пример схемы с использованием периферийных модулей контроллера PIC16F684. Резисторы R3 и R4 задают порог срабатывания компаратора. При пересечении входным сигналом уровня порога, выходной уровень напряжения компаратора переключается между 0 и 1. Резисторы R1 и R2 задают гистерезис для предотвращения "дребезга" при равенстве порогового и входного напряжений. Рис. 9 демонстрирует эффект гистерезиса.

    Рис. 9. Диаграммы в контрольных точках

    Модуль ССР конфигурируется в режим захвата для измерения периода на выходе компаратора.

    Модуль сравнения (compare)

    В режиме сравнения 16-разрядные значения регистра CCPRx сравниваются с состоянием таймера. При совпадении происходит прерывание и вывод контроллера CCPx:

    • устанавливается в 1;
    • устанавливается в 0;
    • состояние не меняется;
    • переключается конфигурация модуля.

    Реакция вывода определяется битами управляющего регистра CCPxCON .

    Триггер специальных событий

    Таймер 1 обычно не сбрасывается в 0 при возникновении прерывания от модуля CCP в режиме сравнения, кроме случая конфигурации модуля в режим Триггера специального события. В этом режиме, когда значения таймера и регистра CCPRx равны, формируется прерывание, таймер 1 очищается и автоматически запускается преобразование АЦП (если это разрешено).

    Работа модуля в режиме сравнения подобна функции таймера в обычном секундомере. В случае секундомера определенное время загружается в часы и производится отсчет в обратном порядке с установленного времени до достижения нуля. Отличие работы таймера в режиме сравнения заключается в том, что время отсчитывается от нуля до установленного значения. Этот способ полезен для того, чтобы произвести определенные действия в точные интервалы времени. Обычный режим работы таймера может использоваться для исполнения тех же самых функций, однако в этом случае таймер нужно будет перезагружать каждый раз. Режим сравнения также может автоматически изменять состояние вывода CCPx.

    Пример 7. Формирование модулирующих импульсов для различных форматов передачи данных.


    Рис. 10. Широтно-импульсная (ШИМ)

    Модуль ССР в режиме сравнения может использоваться для формирования различных форматов модуляции. На рис. 10-12 приведены различные варианты представления 0 и 1 в различных форматах передачи данных. Передача данных похожа на асинхронную передачу данных, содержащую СТАРТ-бит, восемь информационных бит и СТОП-бит. Время ТЕ является базовым временным элементом в каждом формате модуляции и задает скорость передачи данных. Триггер специального события может использоваться для формирования времени ТЕ. При возникновении прерывания от CCP подпрограмма обработки прерывания формирует требуемый формат передачи данных.

    Рис. 11. Манчестерская модуляция

    Рис. 12. Модуляция положением импульса

    Пример 8.

    Обычно стандартные модули ШИМ имеют разрядность в 10 бит. Модуль ССР в режиме сравнения может использоваться для формирования ШИМ с 16-разрядной точностью. Для этого:

    1. Настраиваем модуль ССР на установку вывода ССРх в "0" в режиме сравнения.
    2. Разрешаем прерывание от Timer 1.
    3. Записываем значение периода в Timer1 и его предделитель.
    4. Устанавливаем длительность импульса в регистр сравнения CCPRxL и CCPRxH.
    5. Устанавливаем выход ССРх в "1" при возникновении прерывания от переполнения Timer1. Следует заметить, что маленькие значения длительности импульса не могут быть сформированы из-за конечного времени обработки прерывания от Timer1. Это не сказывается на периоде формируемого сигнала, так как время выполнения прерывания от периода к периоду будет одинаковым.

    Рис. 13. Формирование 16-разрядной ШИМ

    Таймер Timer1 имеет четыре значения предделителя: 1:1, 1:2, 1:4 и 1:8. Возможная формируемая частота рассчитывается по формуле:

    F PWM = F OSC /(65536 x 4 x предделитель)

    Для микроконтроллера, работающего на частоте FOSC = 20 МГц, значения частот FPWM будут составлять 76,3 Гц, 38,1 Гц, 19,1 Гц и 9,5 Гц.

    Пример 9. Последовательное измерение с помощью АЦП.

    Триггер специального события в режиме сравнения (при совпадении значения Timer1 и регистра сравнения CCPRxL и CCPRxH) может формировать периодические прерывания и дополнительно автоматически запускать измерения АЦП. Покажем на примере, как организовать последовательный опрос АЦП в четко определенные моменты времени.


    Рис. 14. Последовательное измерение напряжений

    Пример. Микроконтроллер PIC16F684 работает от внутреннего генератора, сконфигурированного на работу с частотой 8 МГц. Нужно последовательно опрашивать каналы АЦП и измерять входное напряжение на выводах RA0, RA1 и RA2 через каждые 30 мс.

    Таймер 1 переполняется через время TOSC x 65536 x 4 x предделитель. Для предделителя 1:1 таймер переполнится через 32,8 мс.

    Значение регистра CCPR1 рассчитывается по формуле:

    CCPR1 = время/(TOSC x 4 x предделитель) = 30 мс/ (125 нс x 4 x 1) = 6000 = 0хЕА60 . CCPR1L = 0x60, CCPR1H = 0xEA .

    Модуль ЕССР должен быть сконфигурирован в режим триггера специального события. Этот режим формирует прерывание при совпадении значения Timer1 и регистра сравнения CCPRxL и CCPRxH. Для этого режима CCP1CONТ = "b00001011". При возникновении прерывания таймер автоматически очистится и установит бит GO в регистре ADCON0 для запуска преобразования АЦП. Когда произойдет прерывание от модуля ECCP, нужно выбрать следующий вход АЦП с помощью регистра ADCON0.

    Применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

    Широтно-импульсная модуляция, рассматриваемая в следующих примерах, используется в разных задачах - от формирования звукового сигнала и управления яркостью светодиодов до управления скоростью вращения электромотора. Все эти задачи основываются на базовом принципе ШИМ-сигнала - чем больше скважность импульсов, тем больше среднее значение напряжения (рис. 15). Зависимость среднего напряжения от величины скважности является линейной:

    V СР = скважность х V макс

    Рис. 15. Зависимость среднего значения напряжения от скважности ШИМ

    Модуль ССР в микроконтроллерах Microchip может формировать ШИМ-сигнал с 10-разрядной точностью на выводе CCPx-микроконтроллера. Расширенный модуль ЕССР может формировать ШИМ на одном из 4 выводов Р1A...P1D в следующих режимах:

    • одиночный выход (только на выводе P1A);
    • управление полумостом (только на выводах P1A и P1B);
    • управление мостом (возможность реверсирования двигателя).

    В мостовом режиме управления доступны четыре варианта работы:

    • PA1A, P1C активный уровень "1"; P1B, P1D активный уровень "1";
    • PA1A, P1C активный уровень "1"; P1B, P1D активный уровень "0";
    • PA1A, P1C активный уровень "0"; P1B, P1D активный уровень "1";
    • PA1A, P1C активный уровень "0"; P1B, P1D активный уровень "0".

    Пример 10. Выбор частоты ШИМ Частота ШИМ зависит от различных факторов. При увеличении частоты увеличиваются потери на переключение, емкость и индуктивность нагрузки влияет на изменение формы сигнала. Поэтому в микромощных устройствах следует выбирать минимально возможную частоту ШИМ, а в схемах с емкостной или индуктивной нагрузкой выбирать частоту исходя из анализа схемы.

    Управление электродвигателями

    ШИМ применяется для управления двигателями в импульсном режиме. По характеристикам двигателя необходимо подобрать значение частоты ШИМ, чтобы обеспечить оптимальные характеристики электропривода. При выборе задающей частоты важным критерием являются акустические шумы, создаваемые двигателем при работе. Коллекторные двигатели могут создавать звуковой шум на частотах от 20 Гц до 4 кГц. Для исключения этого нежелательного эффекта нужно выбирать частоту выше 4 кГц. На таких частотах акустического шума уже не будет, так как механические части имеют более низкие резонансные частоты.

    Светодиоды и устройства освещения

    ШИМ часто используется для изменения яркости световых приборов. Эффект мерцания может быть заметен на частотах ниже 50 Гц, поэтому на практике частота ШИМ выбирается около 100 Гц или выше.

    Пример 11. Управление коллекторным двигателем постоянного тока с использованием модуля ССР

    Скорость вращения двигателя пропорциональна скважности ШИМ на выводе контроллера CCP1 (рис. 16). Рассмотрим, как нужно сконфигурировать микроконтроллер PIC16F628 для формирования ШИМ с частотой 20 кГц и 50-процентной скважностью. Тактовая частота контроллера 20 МГц.


    Рис. 16. Управление скоростью вращения коллекторного двигателя постоянного тока

      Выбираем величину предделителя Таймера 2: F PWM = F OSC /((PR2 x 1) x 4 х предделитель) = 19531 Гц , при PR2 = 255 и предделитель = 1.

      Полученная частота несколько ниже, чем 20 кГц, таким образом, величина предделителя подходит.

      Вычисляем величину регистра периода PR2: PR2 = F OSC /(F PWM x 4 x prescaler) - 1 = 249

      Вычисляем значение регистра скважности CCPR1L и CCPCON: CCPR1L:CCP1CON = = скважность G 0x3FF = 0x1FF CCPR1L = OxlFF " 2 = 0x7F, CCP1CON = 3

    1. Конфигурируем модуль ССР в режим ге нерации ШИМ: CCP1CON = "b001111000" .

    Пример 12.


    Рис. 17. Реверсивное управление коллекторным двигателем постоянного тока с использованием модуля ЕССР

    Модуль ЕССР имеет опции для управления коллекторными двигателями постоянного тока. На рис. 17 приведена схема подключения мостовой схемы управления двигателем. Выводы модуля ЕССР P1A...P1D могут работать в режиме управления мостовой схемой и задавать скорость и направление вращения. Для примера, изображенного на рис. 17, модуль ЕССР конфигурируется так: P1A, P1C активный уровень "1"; P1B, P1D активный уровень "1" (CCP1CON). Это сделано для того, чтобы MOSFET-драйверы (ТС428) открывали выходные ключи. В таблице указана связь между режимами работы двигателя и выходами ШИМ.

    Режим Р1А Р1В Р1С Р1D CCP1CON
    вперед 1 X X ШИМ b01xx1100
    назад X ШИМ 1 X b11xx1100
    инерция X X X X не важно
    торможение X 1 1 X не важно

    Пример 13. Управление шаговым двигателем в режиме микрошага

    Шаговые двигатели занимают уникальную нишу среди всего многообразия применений двигателей. Шаговые двигатели используются в системах измерения (в качестве индикаторов параметров) и в системах управления позиционированием исполнительных механизмов. Часто возникает необходимость управлять шаговым двигателем в режиме микрошага. Применение микроконтроллера дает много преимуществ: возможность управлять скоростью движения вала, то есть варьировать ускорением и торможением, точно позиционировать объект управления. Микроконтроллер PIC16F648 идеально подходит для большинства таких задач управления шаговым двигателем. Этот дешевый 14-вы-водной контроллер имеет 2К слов Flash-памяти программ, восемь каналов 10-разрядного АЦП, два аналоговых компаратора и модуль ECCP. Таким образом, используя только периферию контроллера, можно управлять шаговым двигателем с помощью специализированного модуля ШИМ - ECCP и реализовать защиту по току с помощью встроенного компаратора.

    Подробное описание алгоритма управления шаговым двигателем и пример программы опубликованы на сайте Microchip в документе AN906 "Stepper Motor Control Using the PIC16F684".

    Пример 14. Формирование аналогового сигнала


    Рис. 18. Формирование аналогового сигнала с помощью ШИМ и ФНЧ

    Выход ШИМ может применяться для цифро-аналогового преобразования с помощью нескольких внешних элементов. Преобразование ШИМ-сигнала в аналоговый осуществляется на основе фильтра ФНЧ (рис. 18). Для исключения появления в выходном сигнале нежелательных гармоник необходимо, чтобы частота модуляции (F PWM) была намного выше, чем частота выходного сигнала (F BW):

    F PWM =К x F BW ,

    причем, чем больше значение К, тем меньше гармоник.

    Для расчета фильтра применяется следующая формула:

    RC=1/(2πF BW)

    Выбрав значение емкости С, вычисляют значение резистора R. Подавление частоты ШИМ в выходном сигнале определяется выражением:

    -10 x log (дБ)

    Если подавление недостаточное, то увеличивают коэффициент К, увеличивая тем самым частоту модуляции. Подробное описание примера реализации есть в документе AN538 "Using PWM to Generate Analog Output in PIC17C42" на сайте Microchip.

    Пример 15. Повышающий преобразователь напряжения


    Рис. 19. Повышающий преобразователь

    Широтно-импульсная модуляция используется в преобразователях напряжения, например в повышающих схемах (рис. 19). Работу схемы можно разделить на две фазы. В первой фазе, когда на выходе ШИМ активный единичный уровень, происходит накопление энергии в катушке L1 путем подключения ее вывода на "землю" транзистором Т1. Во второй фазе на выходе ШИМ нулевой уровень, который запирает транзистор. Ток из катушки течет через диод D1 на конденсатор накопления С2 и на нагрузку. При этом напряжение на нагрузке получается выше напряжения питания. Расчет необходимых характеристик схемы производится по формулам:

    U вых /U вх =1/(1-D) ,

    где D - скважность импульсов ШИМ.

    Выбор значения индуктивности производится на основе максимального выходного тока:

    L = U вх (1-D)DT/2I вых ,

    где Т - период ШИМ.

    При расчете максимальная скважность D принимается не более 75%, а частота ШИМ - 10...100 кГц. Также необходимо рассчитать пульсации тока:

    I пульс = U вх DT

    Если ток пульсаций превышает значение тока насыщения индуктивности, то необходимо выбрать более высокое значение индуктивности.

    кважность ШИМ вычисляется контроллером по закону ПИД, что позволяет поддерживать выходное напряжение при изменении нагрузки. Более подробно данный метод описан в примере AN258 "Low Cost USB Microcontroller Programmer" на сайте Microchip.

    Пример 16. Управление яркостью светодиодов

    Для изменения яркости светодиодов можно использовать ШИМ. Для этого на выход ССР подключается светодиод через резистор, ограничивающий максимальный ток. Изменяя скважность импульсов с помощью регистра CCPRxL в широких пределах (00...FF), можно менять яркость свечения. Необходимо отметить, что частота ШИМ должна быть не менее 100 Гц для устранения мерцания.

    Пример 17. Протокол передачи данных Х-10. Синтез несущей частоты

    Для передачи информации по электросетям, например, передачи данных внутри квартиры по силовой проводке 220 В, часто используется протокол Х-10. На основную частоту (50/60 Гц) накладывается модулированный сигнал более высокой частоты (120 кГц). Для получения такой частоты в контроллере можно применять модуль ССР в режиме ШИМ. На рис. 6 показана реализация передатчика.

    В соответствии со спецификацией Х-10 частота 120 кГц должна иметь отклонения не более 2 кГц. Получение точного значения частоты в модуле ССР обусловлено примением системного кварца частотой 7,68 МГц. Подключение несущей частоты осуществляется в момент перехода сетевого напряжения через ноль.

    В примере AN236 "X-10 Home Automation Using the PIC16F877A" можно найти более детальное описание протокола и исходные коды программ.

    Рис. 20. Схема передачи сообщений по силовой сети 220 В по протоколу Х-10

    Совместное использование модулей захвата, сравнения, ШИМ

    Модуль ССР (ЕССР) в контроллерах Microchip может программироваться "на лету", за счет чего эти модули могут выполнять различные функции в одном и том же устройстве в зависимости от алгоритма работы. Рассмотрим возможности гибкого изменения функций на конкретных примерах.

    Пример 18. Автоопределение скорости передачи RS-232

    Интерфейс связи RS-232 имеет различные скорости передачи. Возможность устройства определять скорость связи и автоматически настраивать приемник и передатчик требует наличие в программе устройства соответствующих процедур.

    Во многих новых контроллерах Microchip существует аппаратный модуль EUSART с возможностью автоматического определения скорости приема данных и подстройки скорости передачи, возможностью работы в режиме SLEEP и другими функциями, необходимыми для реализации таких протоколов, как LIN.


    Рис. 21. Калибровочный символ для автоопределения скорости передачи RS-232

    В тех контроллерах, где нет аппаратного модуля USART, модуль ССР можно использовать в режиме захвата для автоматического определения скорости связи и затем перенастроить в режим сравнения для формирования или приема данных через RS-232. Для работы алгоритма автоопределения скорости необходим калибровочный байт, с которого начинается передача данных от одного устройства к другому. Один из возможных калибровочных символов изображен на рис. 21. Известные временные параметры калибровочного символа позволяют принимающему устройству определить и настроить скорость передачи интерфейса RS-232.

    Алгоритм определения скорости передачи по калибровочному символу:

    1. Настраиваем модуль ССР на захват по спаду (определение стартового бита).
    2. Когда стартовый бит определен, сохраняем значение регистра CCPR1.
    3. Настраиваем модуль ССР на захват по фронту (определение стопового бита).
    4. Когда стоповый бит определен, сохраняем значение регистра CCPR1.
    5. Определяем разность между значениями CCPR1, полученными в п. 4 и в п. 2. Это время 8 битовых интервалов.
    6. Разность сдвигаем на три бита вправо для деления на 8. Полученное значение - время битового интервала.
    7. Сдвигаем еще на один бит вправо. Получаем время половины битового интервала.

    Примеры программ для организации приема и передачи информации по последовательному каналу, а также процедуры автоопределения скорости передачи есть в AN712 "RS-232 Autobaud for the PIC16C5X Devices".

    Пример 19. АЦП двойного интегрирования

    Модуль ССР позволяет построить АЦП двойного интегрирования на основе внешнего интегратора. На рис. 8 представлена схема такого устройства. Интегрирование входного сигнала U вх осуществляется за фиксированный промежуток времени Т1. Затем на вход интегратора подается U оп и измеряется время, за которое на выходе интегратора появится нулевой уровень. По временам Т1 и Т2, а также по U оп можно вычислить U вх.


    Рис. 22. АЦП двойного интегрирования с применением модуля ССР

    Для задания времени Т1 нужно использовать режим сравнения модуля ССР, а для определения Т2 - режим захвата. Кратко алгоритм можно представить так:

    • Настраиваем ССР на режим сравнения, используем триггер специального события.
    • Подключаем Uвх на вход интегратора.
    • Отсчитываем Т1. Это время определяется параметрами интегратора.
    • По прерыванию от ССР подключаем на вход интегратора Uоп и задаем режим захвата модуля ССР по спаду.
    • По прерыванию от ССР фиксируем время Т2.
    • Вычисляем величину Uвх.
    U вх = U оп T2/T1

    Благодаря большому разнообразию контроллеров Microchip и их программной и аппаратной совместимости все описанные примеры могут быть легко перенесены на тот или иной контроллер в зависимости от требований разрабатываемой системы. Компания Microchip постоянно расширяет номенклатуру контроллеров как в сторону уменьшения числа выводов и увеличения периферийных устройств, так и в сторону мощных контроллеров с большим объемом памяти и с максимально возможной периферией.


    Дата публикации: 01.09.2004

    Мнения читателей
    • Олег / 03.03.2015 - 13:52
      Отличная статья. Спасибо!
    • Катя. / 24.12.2009 - 09:08
      я прошу вас надати мені інформація.

    Дорогой Бобот, не мог бы ты немного побольше рассказать об импульсах?

    Хорошо, что ты попросил, дружище Бибот. Так как именно импульсы являются главными носителями информации в цифровой электронике, поэтому очень важно знать разные характеристики импульсов. Начнём, пожалуй, с одиночного импульса.

    Электрический импульс - это всплеск напряжения или тока в определённом и конечном промежутке времени.

    Импульс всегда имеет начало (передний фронт) и конец (спад).
    Ты уже наверняка знаешь, что в цифровой электронике все сигналы могут быть представлены всего двумя уровнями напряжения: "логической единицей" и "логическим нулём". Это всего лишь условные величины напряжения. "Логической единице" приписывается высокий уровень напряжения, обычно около 2-3 вольт, "логическим нулём" считается близкое к нулю напряжение. Цифровые импульсы графически изображаются прямоугольными или трапециевидными по форме:

    Главной величиной одиночного импульса является его длина. Длина импульса - это отрезок времени, в течение которого рассматриваемый логический уровень имеет одно устойчивое состояние. На рисунке латинской буквой t отмечена длина импульса высокого уровня, то есть логической "1". Длина импульса измеряется в секундах, но чаще в миллисекундах (мс), микросекундах (мкс) и даже наносекундах (нс). Одна наносекунда - это очень короткий отрезок времени!
    Запомни: 1 мс = 0,001 сек.
    1 мкс = 0,000001 сек
    1 нс = 0,000000001 сек
    Применяются также англоязычные сокращения: ms - миллисекунда, μs - микросекунда, ns - наносекунда.

    За одну наносекунду я даже пикнуть не успею!
    Скажи, Бобот, а что произойдёт, если импульсов будет много?

    Хороший вопрос, Бибот! Чем больше импульсов, тем больше информации можно ими передать. У множества импульсов появляется много характеристик. Самая простая - частота следования импульсов.
    Частота следования импульсов - это количество полных импульсов в единицу времени. За единицу времени принято брать одну секунду. Единицей измерения частоты является герц, по имени немецкого физика Генриха Герца . Один герц - это регистрация одного полного импульса за одну секунду. Если произойдёт тысяча колебаний в секунду будет 1000 герц, или сокращённо 1000 Гц, что равно 1 килогерцу, 1 кГц. Можно встретить и англоязычное сокращение: Hz - Гц. Частота обозначается буквой F .

    Существуют ещё несколько характеристик, которые проявляются только при участии двух и более импульсов. Одним из таких важных параметров импульсной последовательности является период.
    Период импульсов - это промежуток времени, между двумя характерными точками двух соседних импульсов. Обычно период измеряют между двух фронтов или двух спадов соседних импульсов и обозначают заглавной латинской буквой T .


    Период следования импульсов напрямую связан с частотой импульсной последовательности, и его можно вычислить по формуле: T=1/F
    Если длина импульса t точно равна половине периода T , то такой сигнал часто называют "меандр ".

    Скважностью импульсов называется отношение периода следования импульсов к их длительности и обозначается буквой S: S=T/t Скважность - безразмерная величина и не имеет единиц измерения, но может быть выражена в процентах. Часто в англоязычных текстах встречается термин Duty cycle, это так называемый коэффициент заполнения.
    Коэффициент заполнения D является величиной, обратной скважности. Коэффициент заполнения обычно выражается в процентах и вычисляется по формуле: D=1/S

    Дорогой Бобот, так много разного и интересного у простых импульсов! Но потихоньку я уже начинаю путаться.

    Дружище, Бибот, это ты верно заметил, импульсы - не так уж и просты! Но осталось совсем чуть-чуть.

    Если ты меня внимательно слушал, то ты мог заметить, что если увеличивать или уменьшать длину импульса и при этом на столько же уменьшать или увеличивать паузу между импульсами, то период следования импульсов и частота останется неизменной! Это очень важный факт, который нам ещё не раз понадобится в будущем.

    Но сейчас ещё хочется добавить другие способы передачи информации с помощью импульсов.
    Например, можно несколько импульсов объединить в группы. Такие группы с паузами определённой длины между ними называют пачками или пакетами. Генерируя разное число импульсов в группе и варьируя его, можно также передавать какую-либо информацию.


    Для передачи информации в цифровой электронике (ещё её называют дискретной электроникой) можно использовать два и более проводников или каналов с разными импульсными сигналами. При этом информация передаётся с учётом определённых правил. Такой метод позволяет заметно увеличить скорость передачи информации или добавляет возможность управлением потоком информации между различными схемами.

    Перечисленные возможности передачи информации с помощью импульсов могут быть использованы как сами по себе раздельно, так и в комбинации между собой.
    Существуют также множество стандартов передачи информации с помощью импульсов, например I2C, SPI, CAN, USB, LPT.