Генериране на ШИМ сигнали с променлив работен цикъл, използвайки FPGA

Тази статия обяснява генериране на широчинно-импулсна модулация сигнали с променлив работен цикъл на FPGA с използване на VHDL. ШИМ има фиксирана честота и променливо напрежение. Тази статия също така обсъжда Digital Clock Manager за намаляване на тактовата честота чрез намаляване на изкривяването на тактовия сигнал. Фиксирана честота се използва за получаване на входни данни, които генерират ШИМ сигнали с помощта на компаратор. Електронните компании проектират хардуера, посветен на техните продукти, със своите стандарти и протоколи, което прави предизвикателство за крайните потребители да преконфигурират хардуера според техните нужди. Това изискване за хардуер доведе до растежа на нов сегмент от потребителски конфигурируеми програмируеми полеви интегрални схеми, наречени FPGA .

Модулация на широчината на импулса (PWM)

Широко-импулсната модулация се използва широко в приложенията за комуникация и системи за контрол . Модулация с широчина на импулса може да се генерира с помощта на различни подходи в системите за управление. Тук, в тази статия, PWM се генерира с помощта на език за описание на хардуера (VHDL) и се прилага на FPGA. Внедряването на PWM на FPGA може да обработва данните по-бързо и архитектурата на контролера може да бъде оптимизирана за пространство или скорост.

ШИМ е техника за предоставяне на логика „0“ и логика „1“ за контролиран период от време. Това е източник на сигнал, който включва модулация на неговия работен цикъл, за да контролира количеството мощност, изпратено към товара. В ШИМ, периодът от време на квадратната вълна се поддържа постоянен и времето, за което сигналът остава ВИСОКИ, варира.

PWM генерира импулсите на изхода си по такъв начин, че средната стойност на HIGHs и LOWs е пропорционална на PWM входа. Работният цикъл на сигнала може да варира. PWM сигналът е квадратна вълна с постоянен период с променлив работен цикъл. Тоест, честотата на ШИМ сигнала е постоянна, но периодът от време на сигнала остава висок и варира, както е показано.

ШИМ сигнал

VHDL

VHDL е език, използван за описване на поведението на цифрови схеми . VHDL се използва от индустрията и академичните среди с цел симулация на цифрови схеми. Неговият дизайн може да бъде симулиран и преведен във формата, която е подходяща за внедряване в хардуер.

ШИМ архитектура

Да се ​​произвеждат входни данни за генериране на ШИМ с помощта на високоскоростен N-битов брояч за свободен ход, чийто изход се сравнява с изходния регистър и съхранява желания входен работен цикъл с помощта на компаратора. Сравнителят изходът е зададен на 1, когато двете тези стойности са равни. Този изход за сравнение се използва за задаване на RS резе. Сигналът за преливане от брояча се използва за нулиране на RS ключалката. The изход на RS резе дава желания PWM изход. Този сигнал за препълване се използва и за зареждане на нов N-битов работен цикъл в регистъра. ШИМ има фиксирана честота и променливо напрежение. Тази стойност на напрежението се променя от 0V до 5 V.

ШИМ сигнал с променлив работен цикъл

Основният ШИМ генерира сигнали, който дава изхода на ШИМ, изисква сравнител, който сравнява между две стойности. Първата стойност представлява квадратния сигнал, генериран от N битовия брояч, а втората стойност представлява квадратния сигнал, който съдържа информацията за работния цикъл. Броячът генерира сигнал за натоварване, когато има преливане. След като сигналът за натоварване стане активен, регистърът зарежда новата стойност на работния цикъл. Сигналът за натоварване се използва и за нулиране на резето. Изходът за заключване е PWM сигнал. Това варира в зависимост от промяната в стойността на работния цикъл.

Какво е FPGA?

FPGA е полево програмируем портален масив. Това е тип устройство, което се използва широко в електронните схеми. FPGA са полупроводникови устройства които съдържат програмируеми логически блокове и схеми за взаимно свързване. Той може да бъде програмиран или препрограмиран до необходимата функционалност след производството.

FPGA

Основи на FPGA

Когато се произвежда платка и ако тя съдържа FPGA като част от нея. Това се програмира по време на производствения процес и по-нататък може да се препрограмира по-късно, за да се създаде актуализация или да се направят необходимите промени. Тази функция на FPGA го прави уникален от ASIC. Специфичните за приложение интегрални схеми (ASIC) са произведени по поръчка за конкретна дизайнерска задача. В миналото FPGA се използват за разработване на дизайн с ниска скорост, сложност и обем, но днес FPGA лесно ще премести бариерата за производителност до 500MHz.

В микроконтролерите чипът е предназначен за клиент и те трябва да напишат софтуера и да го компилират в шестнадесетичен файл, за да се заредят върху микроконтролера. Този софтуер може лесно да бъде заменен, тъй като се съхранява във флаш памет. При FPGA няма процесор, който да изпълнява софтуера и ние сме този, който проектира схемата. Можем да конфигурираме FPGA толкова просто като AND порта или сложен като многоядрен процесор. За да създадем дизайн, ние пишем Hardware Description Language (HDL), който е два вида - Verilog и VHDL. След това HDL се синтезира в битов файл с помощта на BITGEN за конфигуриране на FPGA. FPGA съхранява конфигурацията в RAM, т.е. конфигурацията се губи, когато няма свързаност на захранването. Следователно те трябва да бъдат конфигурирани всеки път, когато се доставя захранване.

Архитектура на FPGA

FPGA са сглобяеми силиконови чипове, които могат да бъдат програмирани електрически за изпълнение на цифрови проекти. Първата базирана на статична памет FPGA, наречена SRAM, се използва за конфигуриране както на логика, така и на взаимосвързаност, използвайки поток от конфигурационни битове. Днешният модерен EPGA съдържа приблизително 3,30 000 логически блока и около 1100 входа и изхода.

FPGA архитектура

Архитектурата на FPGA се състои от три основни компонента

• Програмируеми логически блокове, които изпълняват логически функции
• Програмируемо маршрутизиране (взаимно свързване), което изпълнява функции
• I / O блокове, които се използват за осъществяване на връзки извън чипа

Приложения на PWM сигнали

ШИМ сигналите се използват широко за контролни приложения. Подобно на управлението на постояннотокови двигатели, регулиращи клапани, помпи, хидравлика и др. Ето няколкото приложения на ШИМ сигналите.

• Отоплителни системи с бавно време от 10 до 100 Hz или по-високо.
• DC електродвигатели 5 до 10KHz
• Захранвания или аудио усилватели 20 до 200 KHz.

Тази статия е за генериране на ШИМ сигнали с променлив работен цикъл, използващ FPGA. Освен това, за каквато и да е помощ за електронни проекти или съмнения относно тази статия, можете да се свържете с нас, като коментирате раздела за коментари, даден по-долу.