Generowanie sygnałów PWM ze zmiennym cyklem pracy przy użyciu FPGA

W tym artykule opisano generowanie modulacji szerokości impulsu sygnały o zmiennym cyklu pracy na FPGA przy użyciu VHDL. PWM ma stałą częstotliwość i zmienne napięcie. W tym artykule omówiono również program Digital Clock Manager służący do zmniejszania częstotliwości zegara poprzez zmniejszenie odchylenia sygnału zegara. Stała częstotliwość jest używana do generowania danych wejściowych, które generują sygnały PWM za pomocą komparatora. Firmy elektroniczne projektują sprzęt dedykowany dla swoich produktów z ich standardami i protokołami, co utrudnia użytkownikom końcowym rekonfigurację sprzętu zgodnie z ich potrzebami. To zapotrzebowanie na sprzęt doprowadziło do powstania nowego segmentu konfigurowalnego przez klienta programowalne w terenie układy scalone zwane FPGA .

Modulacja szerokości impulsu (PWM)

Modulacja szerokości impulsu jest szeroko stosowana w zastosowaniach komunikacyjnych i systemy kontrolne . Modulację szerokości impulsu można generować przy użyciu różnych podejść w systemach sterowania. Tutaj, w tym artykule, PWM jest generowany przy użyciu języka opisu sprzętu (VHDL) i zaimplementowany na FPGA. Implementacja PWM na FPGA może przetwarzać dane szybciej, a architekturę kontrolera można zoptymalizować pod kątem przestrzeni lub szybkości.

PWM to technika zapewniająca logikę „0” i logikę „1” przez kontrolowany okres czasu. Jest to źródło sygnału, które obejmuje modulację jego cyklu pracy w celu kontrolowania ilości mocy wysyłanej do obciążenia. W PWM, okres czasu fali prostokątnej jest utrzymywany na stałym poziomie, a czas, przez który sygnał pozostaje WYSOKI, jest zmieniany.

PWM generuje impulsy na swoim wyjściu w taki sposób, że średnia wartość HIGH i LOWs jest proporcjonalna do wejścia PWM. Cykl pracy sygnału można zmieniać. Sygnał PWM jest falą prostokątną o stałym okresie i zmiennym cyklu pracy. Oznacza to, że częstotliwość sygnału PWM jest stała, ale okres czasu sygnału pozostaje wysoki i zmienia się, jak pokazano.

Sygnał PWM

VHDL

VHDL to język używany do opisu zachowania projekty obwodów cyfrowych . VHDL jest używany przez przemysł i naukowców do symulacji układów cyfrowych. Jego projekt można symulować i tłumaczyć w formie odpowiedniej do implementacji w sprzęcie.

Architektura PWM

Aby wytworzyć dane wejściowe w celu wygenerowania PWM przy użyciu szybkiego, N-bitowego, wolnego licznika, którego wyjście jest porównywane z wyjściem rejestru i przechowuje żądany cykl pracy wejściowej za pomocą komparatora. Komparator wyjście jest ustawiane na 1, gdy obie te wartości są równe. To wyjście komparatora służy do ustawiania zatrzasku RS. Sygnał przepełnienia z licznika służy do resetowania zatrzasku RS. Plik wyjście zatrzasku RS daje żądane wyjście PWM. Ten sygnał przepełnienia jest również używany do ładowania nowego N-bitowego cyklu pracy w rejestrze. PWM ma stałą częstotliwość i zmienne napięcie. Ta wartość napięcia zmienia się od 0 V do 5 V.

Sygnał PWM o zmiennym cyklu pracy

Podstawowy PWM generuje sygnały, które dają wyjście PWM, wymaga komparatora, który porównuje dwie wartości. Pierwsza wartość reprezentuje sygnał kwadratowy generowany przez licznik N-bitowy, a druga wartość reprezentuje sygnał kwadratowy, który zawiera informacje o cyklu pracy. Licznik generuje sygnał obciążenia w przypadku przepełnienia. Gdy sygnał obciążenia staje się aktywny, rejestr ładuje nową wartość cyklu pracy. Sygnał obciążenia służy również do resetowania zatrzasku. Wyjście zatrzaskowe to sygnał PWM. To zmienia się wraz ze zmianą wartości cyklu pracy.

Co to jest FPGA?

FPGA to tablica bramek programowalna przez użytkownika. Jest to typ urządzenia szeroko stosowany w układach elektronicznych. FPGA są urządzenia półprzewodnikowe które zawierają programowalne bloki logiczne i obwody połączeniowe. Można go zaprogramować lub przeprogramować na wymaganą funkcjonalność po wyprodukowaniu.

FPGA

Podstawy FPGA

Kiedy produkowana jest płytka drukowana i zawiera FPGA jako część. Jest to programowane podczas procesu produkcyjnego, a następnie można je przeprogramować później, aby utworzyć aktualizację lub wprowadzić niezbędne zmiany. Ta cecha FPGA sprawia, że ​​jest wyjątkowy od ASIC. Specyficzne dla aplikacji układy scalone (ASIC) są produkowane na zamówienie do określonych zadań projektowych. W przeszłości układy FPGA były używane do opracowywania projektów o niskiej szybkości, złożoności i objętości, ale dziś FPGA z łatwością przesunie barierę wydajności do 500 MHz.

W mikrokontrolerach układ jest przeznaczony dla klienta i musi on napisać oprogramowanie i skompilować je do pliku hex, aby załadować go do mikrokontrolera. Oprogramowanie to można łatwo wymienić, ponieważ jest przechowywane w pamięci flash. W układach FPGA nie ma procesora do uruchamiania oprogramowania i to my projektujemy obwód. Możemy skonfigurować układ FPGA tak prosty, jak bramka AND, albo złożony, jak procesor wielordzeniowy. Aby stworzyć projekt, piszemy język opisu sprzętu (HDL), który jest dwóch typów - Verilog i VHDL. Następnie HDL jest syntetyzowany do pliku bitowego przy użyciu BITGEN do konfiguracji FPGA. FPGA przechowuje konfigurację w pamięci RAM, to znaczy konfiguracja jest tracona, gdy nie ma połączenia z zasilaniem. Dlatego muszą być konfigurowane za każdym razem, gdy dostarczane jest zasilanie.

Architektura FPGA

FPGA to prefabrykowane chipy krzemowe, które można zaprogramować elektrycznie w celu realizacji projektów cyfrowych. Pierwszy FPGA oparty na pamięci statycznej, zwany SRAM, jest używany do konfigurowania zarówno logiki, jak i połączeń wzajemnych przy użyciu strumienia bitów konfiguracyjnych. Dzisiejsze nowoczesne EPGA zawiera około 3 30 000 bloków logicznych i około 1100 wejść i wyjść.

Architektura FPGA

Architektura FPGA składa się z trzech głównych komponentów

• Programowalne bloki logiczne, które implementują funkcje logiczne
• Programowalny routing (połączenia międzysieciowe), który realizuje funkcje
• Bloki I / O, które są używane do wykonywania połączeń poza chipem

Zastosowania sygnałów PWM

Sygnały PWM są szeroko stosowane w aplikacjach sterujących. Podobnie jak sterowanie silnikami prądu stałego, zaworami sterującymi, pompami, hydrauliką itp. Oto kilka zastosowań sygnałów PWM.

• Systemy grzewcze z wolnymi czasami od 10 do 100 Hz lub wyższymi.
• Silniki elektryczne prądu stałego od 5 do 10 kHz
• Zasilacze lub wzmacniacze audio od 20 do 200 kHz.

Ten artykuł dotyczy generowanie sygnałów PWM ze zmiennym cyklem pracy za pomocą FPGA. Ponadto, w celu uzyskania pomocy przy projektach elektronicznych lub wątpliwości dotyczących tego artykułu, możesz skontaktować się z nami, komentując sekcję komentarzy podaną poniżej.