Широтно-импульсная модуляция


Широтно-импульсная модуляция
Технологии модуляции  п·Аналоговая модуляция
AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ
Цифровая модуляция
АМн · ФМн · КАМ · ЧМн · GMSK
OFDM · COFDM · TCM
Импульсная модуляция
АИМ · ДМ · ИКМ · ΣΔ · ШИМ · ЧИМ · ФИМ
Расширение спектра
FHSS · DSSS
См. также: Демодуляция

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл/выкл), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так:

\int_{t1}^{t2} {x(t)\,dt} = \sum_{} {A*\mathcal{4}T_i},

где x(t) - желаемый входной сигнал в пределе от t1 до t2, а ∆Ti - продолжительность i -го ШИМ импульса, каждого с амплитудой A. ∆Ti подбирается таким образом, что суммарные площади (энергии) обеих величин приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени, равны также и средние значения величин за период:

{\int_{t1}^{t2} {x(t)\,dt} \over {t2 - t1}} = {\sum_{} {A*\mathcal{4}T_i} \over {t2 - t1}}.


Управляемыми "уровнями", как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/ или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x(t) = Uconst стабилизации.

Основной причиной внедрения ШИМ является сложность обеспечения произвольным Напряжение_(электрическое). Есть некое базовое постоянное напряжение питания (в сети, от аккумуляторов и пр.) и на его основе нужно получить более низкое произвольное и уже им запитывать электродвигатели или иное оборудование. Самый простой вариант - делитель напряжения, но он обладает пониженным КПД, повышенным выделением тепла и расходом энергии. Другой вариант - транзисторная схема. Она позволяет регулировать напряжение без использования механики. Проблема в том, что транзисторы греются больше всего в полуоткрытом состоянии (50%). И если с таким КПД ещё "можно жить", то выделение тепла, особенно в промышленных масштабах сводит всю идею на нет. Именно поэтому было решено использовать транзисторную схему, но только в пограничных состояниях (вкл/выкл), а полученный выход сглаживать LC-цепочкой (фильтром) при необходимости. Такой подход весьма энергоэффективен. ШИМ широко применяется повсеместно. Если вы читаете эту статью на LCD-мониторе (телефоне/КПК/... с LCD-подсветкой), то яркость подсветки регулируется ШИМ. На старых мониторах можно убавить яркость и услышать как ШИМ начинает пищать (очень тихий писк частотой в несколько килогерц). Так же "пищат" плавно мигающие LED-лампочки, например, в ноутбуках. Очень хорошо слышно пищание ШИМ по ночам в тишине.

В качестве ШИМ можно использовать даже COM-порт. Т.к. 0 передаётся как 0 0000 0000 1 (8 бит данных + старт/стоп), а 255 как 0 1111 1111 1, то диапазон выходных напряжений - 10-90% с шагом в 10%.

ШИП — широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИП — высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).

Содержание

Применение

ШИМ использует транзисторы (могут быть и др. элементы) не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи почти не течёт, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, то есть КПД=0 %, в абсолютном выражении выделяемая на транзисторе мощность равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность так же мала.

1. R_{tr}\rightarrow \infty \leftrightarrow P={\frac {{U}^{2}}{R}\rightarrow 0}

2. R_{tr}\rightarrow 0 \leftrightarrow P={I}^{2}R\rightarrow 0

Принцип работы ШИМ

ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.


Генерируется аналоговым компаратором, на отрицательный вход которого подаётся опорный сигнал в виде «пилы» или «треугольника», а на положительный — собственно сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте «зубьев» пилы. Ту часть периода, когда входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже — нуль.

В цифровой технике, выходы которой могут принимать только одно из двух значений, приближение желаемого среднего уровня выхода при помощи ШИМ является совершенно естественным. Схема настолько же проста: пилообразный сигнал генерируется N-битным счётчиком. Цифровые устройства (ЦШИП) работают на фиксированной частоте, обычно намного превышающей реакцию управляемых установок (передискретизация). В периоды между фронтами тактовых импульсов, выход ЦШИП остаётся стабильным, на нём действует либо низкий уровень либо высокий, в зависимости от выхода цифрового компаратора, сравнивающего значение счётчика с уровнем приближаемого цифрового сигнала V(n). Выход за много тактов можно трактовать как череду импульсов с двумя возможными значениями 0 и 1, сменяющими друг-друга каждый такт Т. Частота появления единичных импульсов получается пропорциональной уровню приближаемого сигнала ~V(n). Единицы, следующие одна за другой, формируют контур одного, более широкого импульса. Длительности полученных импульсов переменной ширины ~V(n), кратны периоду тактирования T, а частота равна 1/(T*2N). Низкая частота означает длительные, относительно T, периоды постоянства сигнала одного уровня, что даёт невысокую равномерность распределения импульсов.

Описанная цифровая схема генерации подпадает под определение однобитной (двухуровневой) импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). 1-битную ИКМ можно рассматривать в терминах ШИМ как серию импульсов частотой 1/T и шириной 0 либо T. Добиться усреднения за менее короткий промежуток времени позволяет имеющаяся передискретизация. Высоким качеством обладает такая разновидность однобитной ИКМ, как импульсно-плотностная модуляция (pulse density modulation), которая ещё именуется импульсно-частотной модуляцией.

Восстанавливается непрерывный аналоговый сигнал арифметическим усреднением импульсов за много периодов при помощи простейшего фильтра низких частот. Хотя обычно даже этого не требуется, так как электромеханические составляющие привода обладают индуктивностью, а объект управления (ОУ) — инерцией, импульсы с выхода ШИП сглаживаются и ОУ, при достаточной частоте ШИМ-сигнала, ведёт себя как при управлении обычным аналоговым сигналом.

См. также

  • Векторная модуляция - векторная широтно-импульсная модуляция, используемая в силовой электронике.
  • SACD — формат аудиодисков, использующий широтно-импульсную модуляцию звукового сигнала.

Ссылки



Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Широтно-импульсная модуляция" в других словарях:

  • широтно-импульсная модуляция — ШИМ Последовательный сигнал, информативным в котором является ширина импульса при постоянной частоте следования. [http://www.morepc.ru/dict/] широтно импульсная модуляция [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по… …   Справочник технического переводчика

  • широтно-импульсная модуляция — 3.2 широтно импульсная модуляция (pulse width modulation; PWM): Метод кодирования, при котором двоичные данные передаются положением границ оптического пита. Примечание Один оптический пит определяет два информационных перехода. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • широтно-импульсная модуляция — impulsų trukmės moduliavimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. pulse duration modulation; pulse length modulation; pulse width modulation vok. Impulslängenmodulation, f; Pulsbreitenmodulation, f; Pulslängenmodulation, f rus. модуляция… …   Fizikos terminų žodynas

  • широтно-импульсная модуляция — impulsų trukmės moduliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. pulse duration modulation; pulse width modulation; pulse duration modulation; pulse length modulation; pulse width modulation vok. Pulsbreitenmodulation, f;… …   Automatikos terminų žodynas

  • широтно-импульсная модуляция несущей — широтно импульсная модуляция Импульсная модуляция, при которой изменяемым параметром является длительность импульсов. [ГОСТ 24375 80] Тематики радиосвязь Обобщающие термины радиопередача Синонимы широтно импульсная модуляция …   Справочник технического переводчика

  • Широтно-импульсная модуляция несущей — 144. Широтно импульсная модуляция несущей Широтно импульсная модуляция Источник: ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Широтно-импульсная модуляция несущей — 1. Импульсная модуляция, при которой изменяемым параметром является длительность импульсов Употребляется в документе: ГОСТ 24375 80 …   Телекоммуникационный словарь

  • двойная широтно-импульсная модуляция — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN dual pulse width modulation …   Справочник технического переводчика

  • дискретная широтно-импульсная модуляция — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN digital pulse duration modulation …   Справочник технического переводчика

  • ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ — модуляция колебаний, при к рой модулирующий сигнал представляет собой последовательность импульсов. В результате И. м. образуется последовательность кратковременных посылок, «цугов», модулируемых колебаний. Характеристики этой последовательности… …   Физическая энциклопедия