Generovanie signálov PWM s premenlivým pracovným cyklom pomocou FPGA

Tento článok vysvetľuje generovanie modulácie šírky impulzu signály s variabilným pracovným cyklom na FPGA pomocou VHDL. PWM má pevnú frekvenciu a premenlivé napätie. Tento článok tiež pojednáva o správcovi digitálnych hodín na zníženie frekvencie hodín znížením skosenia hodinového signálu. Pevná frekvencia sa používa na výrobu vstupných údajov, ktoré produkujú signály PWM pomocou komparátora. Elektronické spoločnosti navrhujú hardvér vyhradený pre svoje produkty podľa ich štandardov a protokolov, čo pre koncových používateľov predstavuje výzvu k prekonfigurovaniu hardvéru podľa ich potrieb. Táto požiadavka na hardvér viedla k rastu nového segmentu zákazníkom konfigurovateľného poľné programovateľné integrované obvody zvané FPGA .

Pulzná šírková modulácia (PWM)

Pulzná šírková modulácia je široko používaná v komunikačných aplikáciách a riadiace systémy . Pulzná šírková modulácia môže byť generovaná pomocou rôznych prístupov v riadiacich systémoch. V tomto článku sa v tomto článku generuje PWM pomocou hardvérového popisovacieho jazyka (VHDL) a implementuje sa na FPGA. Implementácia PWM na FPGA dokáže dáta spracovať rýchlejšie a architektúru radiča možno optimalizovať na priestor alebo rýchlosť.

PWM je technika poskytujúca logiku „0“ a logiku „1“ na kontrolované časové obdobie. Jedná sa o zdroj signálu, ktorý zahŕňa moduláciu jeho pracovného cyklu na riadenie množstva energie vysielanej do záťaže. V PWM sa časová perióda obdĺžnikovej vlny udržuje konštantná a čas, po ktorý zostáva signál HIGH, sa mení.

PWM generuje impulzy na svojom výstupe takým spôsobom, že priemerná hodnota HIGH a LOW je úmerná vstupu PWM. Pracovný cyklus signálu sa môže meniť. Signál PWM je štvorcová vlna s konštantnou periódou s meniacim sa pracovným cyklom. To znamená, že frekvencia signálu PWM je konštantná, ale časová perióda signálu zostáva vysoká a líši sa, ako je to znázornené.

Signál PWM

VHDL

VHDL je jazyk, ktorý sa používa na opis správania používateľa návrhy digitálnych obvodov . VHDL používajú priemyselné odvetvia a akademickí pracovníci na účely simulácie digitálnych obvodov. Jeho návrh je možné simulovať a preložiť do formy, ktorá je vhodná na implementáciu do hardvéru.

PWM architektúra

Produkovať vstupné dáta na generovanie PWM pomocou vysokorýchlostného N-bit voľného počítadla chodu, ktorého výstup je porovnaný s výstupom registra a pomocou komparátora ukladá požadovaný vstupný pracovný cyklus. Porovnávač výstup je nastavený na 1, keď sú obe tieto hodnoty rovnaké. Tento výstup komparátora sa používa na nastavenie západky RS. Signál pretečenia z počítadla sa používa na vynulovanie západky RS. The výstup západky RS dáva požadovaný výstup PWM. Tento signál pretečenia sa tiež používa na načítanie nového N-bitového pracovného cyklu do registra. PWM má pevnú frekvenciu a premenlivé napätie. Táto hodnota napätia sa mení z 0V na 5 V.

Signál PWM s premenlivým pracovným cyklom

Základné PWM generuje signály, ktoré poskytujú výstup PWM, vyžaduje komparátor, ktorý porovnáva medzi dvoma hodnotami. Prvá hodnota predstavuje štvorcový signál generovaný N bitovým počítadlom a druhá hodnota predstavuje štvorcový signál, ktorý obsahuje informácie o pracovnom cykle. Počítadlo generuje signál záťaže vždy, keď dôjde k pretečeniu. Akonáhle je záťažový signál aktívny, register načíta novú hodnotu pracovného cyklu. Signál záťaže sa používa aj na resetovanie západky. Výstup blokovania je signál PWM. To sa mení so zmenou hodnoty pracovného cyklu.

Čo je to FPGA?

FPGA je priemyselne programovateľné hradlové pole. Je to typ zariadenia, ktoré sa široko používa v elektronických obvodoch. FPGA sú polovodičové zariadenia ktoré obsahujú programovateľné logické bloky a prepojovacie obvody. Po výrobe je možné ho naprogramovať alebo preprogramovať na požadovanú funkčnosť.

FPGA

Základy FPGA

Keď sa vyrába doska s plošnými spojmi a či obsahuje ako súčasť FPGA. Toto sa programuje počas výrobného procesu a ďalej sa dá preprogramovať neskôr, aby sa vytvorila aktualizácia alebo vykonali potrebné zmeny. Táto vlastnosť FPGA ju robí jedinečnou od ASIC. Integrované obvody špecifické pre aplikáciu (ASIC) sa vyrábajú na zákazku pre konkrétne konštrukčné úlohy. V minulosti sa FPGA používali na vývoj nízkych rýchlostí, zložitosti a objemu, ale dnes FPGA ľahko posunie výkonovú bariéru až na 500 MHz.

V mikrokontroléroch je čip určený pre zákazníka a ten musí napísať softvér a skompilovať ho do hexadecimálneho súboru, aby sa mohol načítať do mikrokontroléra. Tento softvér je možné ľahko vymeniť, pretože je uložený v pamäti flash. V FPGA nie je procesor na spustenie softvéru a my sme ten, kto navrhuje obvod. Môžeme nakonfigurovať FPGA tak jednoduché ako AND brána alebo zložité ako viacjadrový procesor. Na vytvorenie návrhu napíšeme Hardware Description Language (HDL), ktorý je dvojakého typu - Verilog a VHDL. Potom je HDL syntetizovaný do bitového súboru pomocou BITGENU na konfiguráciu FPGA. FPGA ukladá konfiguráciu do RAM, to znamená, že konfigurácia sa stratí, keď nie je k dispozícii napájacie pripojenie. Preto musia byť nakonfigurované pri každom napájaní.

Architektúra FPGA

FPGA sú prefabrikované kremíkové čipy, ktoré je možné elektricky programovať na implementáciu digitálnych návrhov. Prvé FPGA založené na statickej pamäti, nazývané SRAM, sa používajú na konfiguráciu logiky aj vzájomného prepojenia pomocou toku konfiguračných bitov. Dnešné moderné EPGA obsahuje približne 3 30 000 logických blokov a približne 1 100 vstupov a výstupov.

Architektúra FPGA

Architektúra FPGA sa skladá z troch hlavných komponentov

• Programovateľné logické bloky, ktoré implementujú logické funkcie
• Programovateľné smerovanie (vzájomné prepojenie), ktoré implementuje funkcie
• I / O bloky, ktoré sa používajú na vytváranie pripojení mimo čip

Aplikácia PWM signálov

Signály PWM sa široko používajú pre riadiace aplikácie. Rovnako ako riadenie jednosmerných motorov, regulačných ventilov, čerpadiel, hydrauliky atď. Tu je niekoľko aplikácií signálov PWM.

• Vykurovacie systémy s pomalými časmi 10 až 100 Hz alebo vyššími.
• DC elektromotory 5 až 10KHz
• Napájacie zdroje alebo zvukové zosilňovače 20 až 200 KHz.

Tento článok je predovšetkým o generovanie PWM signálov s variabilným pracovným cyklom pomocou FPGA. Ak potrebujete ďalšiu pomoc s elektronickými projektmi alebo máte pochybnosti týkajúce sa tohto článku, môžete nás kontaktovať komentovaním v sekcii komentárov uvedenej nižšie.