Generování signálů PWM s proměnným pracovním cyklem pomocí FPGA

Tento článek vysvětluje generování pulzní šířkové modulace signály s proměnným pracovním cyklem na FPGA pomocí VHDL. PWM má pevnou frekvenci a proměnné napětí. Tento článek také pojednává o správci digitálních hodin pro snížení frekvence hodin snížením zkosení hodinového signálu. Pevná frekvence se používá k výrobě vstupních dat, která produkují signály PWM pomocí komparátoru. Elektronické společnosti navrhují hardware vyhrazený pro jejich produkty podle svých standardů a protokolů, což koncovým uživatelům ztěžuje překonfigurování hardwaru podle jejich potřeb. Tento požadavek na hardware vedl k růstu nového segmentu konfigurovatelného zákazníkem polní programovatelné integrované obvody zvané FPGA .

Pulzní šířková modulace (PWM)

Pulzní šířková modulace je široce používána v aplikacích komunikace a řídicí systémy . Pulzní šířkovou modulaci lze generovat pomocí různých přístupů v řídicích systémech. Tady v tomto článku je PWM generován pomocí hardwarového popisovacího jazyka (VHDL) a implementován na FPGA. Implementace PWM na FPGA může zpracovat data rychleji a architektura řadiče může být optimalizována pro prostor nebo rychlost.

PWM je technika zajišťující logiku „0“ a logiku „1“ po kontrolovanou dobu. Jedná se o zdroj signálu, který zahrnuje modulaci jeho pracovního cyklu k řízení množství energie odeslané do zátěže. V PWM je časová perioda obdélníkové vlny udržována konstantní a čas, po který zůstává signál HIGH, se mění.

PWM generuje impulsy na svém výstupu takovým způsobem, že průměrná hodnota HIGH a LOW je úměrná vstupu PWM. Pracovní cyklus signálu lze měnit. Signál PWM je čtvercová vlna s konstantní periodou s měnícím se pracovním cyklem. To znamená, že frekvence signálu PWM je konstantní, ale časové období signálu zůstává vysoké a mění se, jak je znázorněno.

Signál PWM

VHDL

VHDL je jazyk, který se používá k popisu chování návrhy digitálních obvodů . VHDL používají průmyslová odvětví a akademičtí pracovníci za účelem simulace digitálních obvodů. Jeho design lze simulovat a překládat ve formě, která je vhodná pro implementaci v hardwaru.

PWM architektura

Produkovat vstupní data pro generování PWM pomocí vysokorychlostního N-bitového volného čítače chodu, jehož výstup je porovnáván s výstupem registru a ukládá požadovaný vstupní pracovní cyklus pomocí komparátoru. Komparátor výstup je nastaven na 1, když jsou obě tyto hodnoty stejné. Tento výstup komparátoru se používá k nastavení západky RS. Signál přetečení z počitadla se používá k resetování západky RS. The výstup západky RS dává požadovaný PWM výstup. Tento signál přetečení se také používá k načtení nového N-bitového pracovního cyklu do registru. PWM má pevnou frekvenci a proměnné napětí. Tato hodnota napětí se mění z 0V na 5 V.

Signál PWM s proměnným pracovním cyklem

Základní PWM generuje signály, které dávají výstup PWM, vyžaduje komparátor, který porovnává mezi dvěma hodnotami. První hodnota představuje čtvercový signál generovaný N bitovým čítačem a druhá hodnota představuje čtvercový signál, který obsahuje informace o pracovním cyklu. Čítač generuje signál zátěže, kdykoli dojde k přetečení. Jakmile je zátěžový signál aktivní, registr načte novou hodnotu pracovního cyklu. Signál zátěže se používá také k resetování západky. Výstup blokování je signál PWM. To se mění se změnou hodnoty pracovního cyklu.

Co je to FPGA?

FPGA je polní programovatelné hradlové pole. Jedná se o typ zařízení, které se široce používá v elektronických obvodech. FPGA jsou polovodičová zařízení které obsahují programovatelné logické bloky a propojovací obvody. Po výrobě jej lze naprogramovat nebo přeprogramovat na požadovanou funkčnost.

FPGA

Základy FPGA

Když se vyrábí deska s plošnými spoji a pokud obsahuje jako součást FPGA. Toto je naprogramováno během výrobního procesu a dále jej lze později přeprogramovat, abyste vytvořili aktualizaci nebo provedli nezbytné změny. Díky této vlastnosti je FPGA jedinečný od ASIC. Integrované obvody specifické pro aplikaci (ASIC) jsou vyráběny na zakázku pro konkrétní konstrukční úkol. V minulosti se FPGA používaly k vývoji nízké rychlosti, složitosti a objemového designu, ale dnes FPGA snadno posune výkonovou bariéru až na 500MHz.

V mikrokontrolérech je čip navržen pro zákazníka a ten musí napsat software a zkompilovat jej do hexadecimálního souboru, který se načte do mikrokontroléru. Tento software lze snadno vyměnit, protože je uložen v paměti flash. V FPGA neexistuje žádný procesor, který by spustil software, a my jsme ten, kdo navrhuje obvod. Můžeme nakonfigurovat FPGA tak jednoduché jako bránu AND nebo komplex jako vícejádrový procesor. Pro vytvoření designu napíšeme Hardware Description Language (HDL), který je dvou typů - Verilog a VHDL. Poté je HDL syntetizován do bitového souboru pomocí BITGEN pro konfiguraci FPGA. FPGA ukládá konfiguraci do RAM, to znamená, že dojde ke ztrátě konfigurace, pokud není k dispozici připojení k napájení. Proto musí být nakonfigurovány při každém napájení.

Architektura FPGA

FPGA jsou prefabrikované křemíkové čipy, které lze naprogramovat elektricky k implementaci digitálních návrhů. První FPGA na bázi statické paměti s názvem SRAM se používá ke konfiguraci logiky i propojení pomocí proudu konfiguračních bitů. Dnešní moderní EPGA obsahuje přibližně 3 30 000 logických bloků a přibližně 1 100 vstupů a výstupů.

Architektura FPGA

Architektura FPGA se skládá ze tří hlavních komponent

• Programovatelné logické bloky, které implementují logické funkce
• Programovatelné směrování (propojuje), které implementuje funkce
• I / O bloky, které se používají k vytváření připojení mimo čip

Aplikace signálů PWM

Signály PWM jsou široce používány pro řídicí aplikace. Jako ovládání stejnosměrných motorů, regulačních ventilů, čerpadel, hydrauliky atd. Zde je několik aplikací signálů PWM.

• Topné systémy s pomalými časy 10 až 100 Hz nebo vyššími.
• Stejnosměrné elektromotory 5 až 10 KHz
• Napájecí zdroje nebo zvukové zesilovače 20 až 200 KHz.

Tento článek je o generování signálů PWM s proměnným pracovním cyklem pomocí FPGA. Pokud potřebujete další pomoc s elektronickými projekty nebo pochybnosti týkající se tohoto článku, můžete nás kontaktovat komentářem v sekci komentářů níže.