В этой статье объясняется генерация широтно-импульсной модуляции сигналы с переменной скважностью на FPGA с использованием VHDL. ШИМ имеет фиксированную частоту и переменное напряжение. В этой статье также обсуждается Digital Clock Manager для уменьшения тактовой частоты путем уменьшения перекоса тактового сигнала. Фиксированная частота используется для получения входных данных, которые создают сигналы ШИМ с использованием компаратора. Электронные компании проектируют оборудование, предназначенное для своих продуктов, со своими стандартами и протоколами, поэтому конечным пользователям сложно перенастроить оборудование в соответствии с их потребностями. Это требование к оборудованию привело к росту нового сегмента настраиваемых пользователем программируемые интегральные схемы, называемые ПЛИС .
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
Широтно-импульсная модуляция широко используется в приложениях связи и Системы управления . Широтно-импульсная модуляция может создаваться с использованием различных подходов в системах управления. Здесь, в этой статье, ШИМ генерируется с использованием языка описания оборудования (VHDL) и реализуется на FPGA. Реализация ШИМ на ПЛИС позволяет быстрее обрабатывать данные, а архитектуру контроллера можно оптимизировать по пространству или скорости.
ШИМ - это метод обеспечения логического «0» и логической «1» в течение контролируемого периода времени. Это источник сигнала, который включает в себя модуляцию рабочего цикла для управления мощностью, подаваемой на нагрузку. В ШИМ период времени прямоугольной волны сохраняется постоянным, а время, в течение которого сигнал остается ВЫСОКИМ, варьируется.
ШИМ генерирует импульсы на своем выходе таким образом, что среднее значение HIGH и LOW пропорционально входу PWM. Рабочий цикл сигнала можно изменять. Сигнал ШИМ представляет собой прямоугольную волну с постоянным периодом и изменяющимся рабочим циклом. То есть частота сигнала ШИМ постоянна, но период времени сигнала остается высоким и изменяется, как показано.
Сигнал ШИМ
VHDL
VHDL - это язык, используемый для описания поведения цифровые схемы . VHDL используется промышленностью и учеными для моделирования цифровых схем. Его конструкция может быть смоделирована и переведена в форму, пригодную для аппаратной реализации.
Архитектура ШИМ
Для создания входных данных для генерации ШИМ с помощью высокоскоростного N-битного счетчика автономной работы, выход которого сравнивается с выходом регистра и сохраняет желаемый входной рабочий цикл с помощью компаратора. Компаратор output устанавливается в 1, когда оба эти значения равны. Этот выход компаратора используется для установки фиксации RS. Сигнал переполнения от счетчика используется для сброса защелки RS. В выход защелки RS дает желаемый выход ШИМ. Этот сигнал переполнения также используется для загрузки нового N-битного рабочего цикла в регистр. ШИМ имеет фиксированную частоту и переменное напряжение. Это значение напряжения изменяется от 0 В до 5 В.
ШИМ-сигнал с переменным рабочим циклом
Базовый ШИМ генерирует сигналы, которые дают выходной сигнал ШИМ, требует компаратора, который сравнивает два значения. Первое значение представляет квадратный сигнал, генерируемый N-битным счетчиком, а второе значение представляет квадратный сигнал, который содержит информацию о рабочем цикле. Счетчик генерирует сигнал нагрузки при переполнении. Как только сигнал загрузки становится активным, регистр загружает новое значение рабочего цикла. Сигнал нагрузки также используется для сброса защелки. Выход защелки - сигнал ШИМ. Это зависит от изменения значения рабочего цикла.
Что такое ПЛИС?
FPGA - это вентильная матрица, программируемая пользователем. Это тип устройства, который широко используется в электронных схемах. ПЛИС полупроводниковые приборы которые содержат программируемые логические блоки и схемы межсоединений. Его можно запрограммировать или перепрограммировать на требуемые функции после изготовления.
FPGA
Основы FPGA
Когда печатная плата изготовлена и содержит ли она как часть FPGA. Это программируется во время производственного процесса и может быть перепрограммировано позже для создания обновления или внесения необходимых изменений. Эта особенность FPGA делает ее уникальной по сравнению с ASIC. Интегральные схемы специального назначения (ASIC) изготавливаются на заказ для решения конкретной задачи проектирования. В прошлом FPGA использовались для разработки низкоскоростных, сложных и объемных конструкций, но сегодня FPGA легко преодолеет барьер производительности до 500 МГц.
В микроконтроллерах микросхема предназначена для клиентов, и они должны написать программное обеспечение и скомпилировать его в шестнадцатеричный файл для загрузки в микроконтроллер. Это программное обеспечение можно легко заменить, поскольку оно хранится во флэш-памяти. В ПЛИС нет процессора для запуска программного обеспечения, и мы разрабатываем схему. Мы можем сконфигурировать FPGA так же просто, как логический элемент И, или сложную, как многоядерный процессор. Для создания дизайна мы пишем язык описания оборудования (HDL), который бывает двух типов - Verilog и VHDL. Затем HDL синтезируется в битовый файл с использованием BITGEN для настройки FPGA. ПЛИС сохраняет конфигурацию в ОЗУ, то есть конфигурация теряется при отсутствии подключения к источнику питания. Следовательно, их необходимо настраивать каждый раз при подаче питания.
Архитектура ПЛИС
ПЛИС - это готовые кремниевые чипы, которые можно электрически программировать для реализации цифровых схем. Первая ПЛИС на основе статической памяти, называемая SRAM, используется для настройки как логики, так и взаимосвязи с использованием потока битов конфигурации. Современный EPGA содержит примерно 3 30 000 логических блоков и около 1100 входов и выходов.
Архитектура ПЛИС
Архитектура ПЛИС состоит из трех основных компонентов.
- Программируемые логические блоки, реализующие логические функции
- Программируемая маршрутизация (межсоединения), реализующая функции
- Блоки ввода / вывода, которые используются для подключения вне кристалла
Применение сигналов ШИМ
Сигналы ШИМ широко используются для приложений управления. Например, управление двигателями постоянного тока, регулирующими клапанами, насосами, гидравликой и т. Д. Вот несколько применений сигналов ШИМ.
- Системы отопления с медленным временем от 10 до 100 Гц или выше.
- Электродвигатели постоянного тока от 5 до 10 кГц
- Источники питания или усилители звука от 20 до 200 кГц.
Эта статья посвящена генерация сигналов ШИМ с переменной скважностью с использованием FPGA. Кроме того, если вам нужна помощь по электронным проектам или возникнут сомнения относительно этой статьи, вы можете связаться с нами, прокомментировав раздел комментариев, приведенный ниже.
