Generarea de semnale PWM cu ciclu de funcționare variabilă utilizând FPGA

Acest articol explică generarea modulației lățimii impulsurilor semnale cu ciclu de funcționare variabil pe FPGA folosind VHDL. PWM are o frecvență fixă ​​și o tensiune variabilă. Acest articol discută, de asemenea, Managerul de ceas digital pentru scăderea frecvenței ceasului prin scăderea înclinării semnalului de ceas. O frecvență fixă ​​este utilizată pentru a produce datele de intrare care produc semnalele PWM folosind un comparator. Companiile electronice proiectează hardware-ul dedicat produselor lor cu standardele și protocoalele lor, ceea ce face dificilă pentru utilizatorii finali să reconfigureze hardware-ul conform nevoilor lor. Această cerință pentru hardware a dus la creșterea unui nou segment de configurări pentru clienți circuite integrate programabile pe teren numite FPGA .

Modulația lățimii pulsului (PWM)

Modulația lățimii pulsului este utilizată pe scară largă în aplicații de comunicații și sistem de control . Modulația lățimii impulsurilor poate fi generată folosind diferite abordări în sistemele de control. Aici, în acest articol, PWM este generat folosind Hardware Description Language (VHDL) și implementat pe FPGA. Implementarea PWM pe FPGA poate procesa datele mai rapid, iar arhitectura controlerului poate fi optimizată pentru spațiu sau viteză.

PWM este o tehnică de furnizare a logicii „0” și logică „1” pentru o perioadă de timp controlată. Este o sursă de semnal care implică modularea ciclului său de funcționare pentru a controla cantitatea de energie trimisă la sarcină. În PWM, perioada de undă pătrată este menținută constantă și timpul pentru care semnalul rămâne HIGH este variat.

PWM generează impulsuri pe ieșirea sa în așa fel încât valoarea medie a HIGHs și LOWs este proporțională cu intrarea PWM. Ciclul de funcționare al semnalului poate fi variat. Un semnal PWM este o undă pătrată cu perioadă constantă cu ciclu de funcționare variabil. Adică, frecvența semnalului PWM este constantă, dar perioada de timp a semnalului rămâne ridicată și variază așa cum se arată.

Semnal PWM

VHDL

VHDL este un limbaj, folosit pentru a descrie comportamentul proiecte de circuite digitale . VHDL este utilizat de industrii și cadre universitare în scopul simulării circuitelor digitale. Proiectarea sa poate fi simulată și tradusă în forma potrivită pentru implementarea în hardware.

PWM Architecture

Pentru a produce datele de intrare pentru a genera PWM utilizând un contor de rulare liber N-bit de mare viteză, a cărui ieșire este comparată cu ieșirea de registru și stochează ciclul de funcționare de intrare dorit cu ajutorul comparatorului. Comparatorul ieșirea este setată la 1 atunci când ambele valori sunt egale. Această ieșire comparativă este utilizată pentru a seta blocarea RS. Semnalul de revărsare de la contor este utilizat pentru a reseta zăvorul RS. ieșirea blocării RS oferă ieșirea PWM dorită. Acest semnal de preaplin este, de asemenea, utilizat pentru a încărca un nou ciclu de funcționare pe N-bit în registru. PWM are o frecvență fixă ​​și o tensiune variabilă. Această valoare a tensiunii se schimbă de la 0V la 5 V.

Semnal PWM cu ciclu de funcționare variabil

PWM de bază generează semnale, care oferă ieșirea PWM, necesită un comparator care compară între două valori. Prima valoare reprezintă semnalul pătrat generat de contorul de biți N și a doua valoare reprezintă semnalul pătrat care conține informații despre ciclul de funcționare. Contorul generează semnalul de încărcare ori de câte ori există o revărsare. Odată ce semnalul de încărcare devine activ, registrul încarcă noua valoare a ciclului de funcționare. Semnalul de încărcare este utilizat și pentru resetarea zăvorului. Ieșirea blocată este un semnal PWM. Acest lucru variază în funcție de modificarea valorii ciclului de funcționare.

Ce este FPGA?

FPGA este o matrice de poartă programabilă pe teren. Este un tip de dispozitiv care este utilizat pe scară largă în circuitele electronice. FPGA-urile sunt dispozitive semiconductoare care conțin blocuri logice programabile și circuite de interconectare. Poate fi programat sau reprogramat la funcționalitatea necesară după fabricație.

FPGA

Bazele FPGA

Când este fabricată o placă de circuit și dacă conține un FPGA ca parte a acesteia. Acest lucru este programat în timpul procesului de fabricație și poate fi reprogramat ulterior pentru a crea o actualizare sau pentru a face modificările necesare. Această caracteristică a FPGA îl face unic de la ASIC. Circuitele integrate specifice aplicației (ASIC) sunt fabricate la comandă pentru sarcini specifice de proiectare. În trecut, FPGA-urile erau utilizate pentru a dezvolta o viteză redusă, complexitate și design de volum, dar astăzi FPGA va împinge cu ușurință bariera de performanță până la 500 MHz.

În microcontrolere, cipul este conceput pentru un client și trebuie să scrie software-ul și să îl compileze în fișier hexagonal pentru a-l încărca pe microcontroler. Acest software poate fi ușor înlocuit, deoarece este stocat în memoria flash. În FPGA, nu există un procesor care să ruleze software-ul și noi suntem cei care proiectăm circuitul. Putem configura un FPGA la fel de simplu ca o poartă AND sau un complex ca un procesor multi-core. Pentru a crea un design, scriem Limbajul de descriere hardware (HDL), care este de două tipuri - Verilog și VHDL. Apoi HDL este sintetizat într-un fișier de biți folosind un BITGEN pentru a configura FPGA. FPGA stochează configurația în RAM, adică configurația se pierde atunci când nu există conectivitate de alimentare. Prin urmare, acestea trebuie configurate de fiecare dată când este alimentată alimentarea.

Arhitectura FPGA

FPGA-urile sunt cipuri de siliciu prefabricate care pot fi programate electric pentru a implementa modele digitale. Prima FPGA bazată pe memorie statică numită SRAM este utilizată pentru configurarea atât a logicii, cât și a interconectării utilizând un flux de biți de configurare. EPGA-ul modern de astăzi conține aproximativ 3.30.000 de blocuri logice și aproximativ 1.100 de intrări și ieșiri.

Arhitectura FPGA

Arhitectura FPGA constă din trei componente majore

• Blocuri logice programabile, care implementează funcții logice
• Rutare programabilă (interconectări), care implementează funcții
• Blocuri I / O, care sunt utilizate pentru a face conexiuni off-chip

Aplicații ale semnalelor PWM

Semnalele PWM sunt utilizate pe scară largă pentru aplicațiile de control. La fel ca controlul motoarelor de curent continuu, supapelor de comandă, pompelor, hidraulicii etc. Iată câteva aplicații ale semnalelor PWM.

• Sisteme de încălzire cu durate lente de 10 până la 100Hz sau mai mari.
• Motoare electrice de curent continuu de la 5 la 10KHz
• Surse de alimentare sau amplificatoare audio de la 20 la 200 KHz.

Acest articol se referă la generarea de semnale PWM cu ciclu de funcționare variabil folosind FPGA. În plus, pentru orice ajutor cu privire la proiectele electronice sau îndoieli cu privire la acest articol, ne puteți contacta comentând secțiunea de comentarii de mai jos.