Modulatory PWM CELE ĆWICZEŃ PODSTAWY TEORETYCZNE

Transkrypt

1 Modulatory PWM CELE ĆWICZEŃ Poznanie budowy modulatora szerokości impulsów z układem A741. Analiza charakterystyk i podstawowych obwodów z układem LM555. Poznanie budowy modulatora szerokości impulsów z układem LM555. Pomiary i ocena wyników obwodu modulatora szerokości impulsów. PODSTAWY TEORETYCZNE Modulacji szerokości impulsów (ang. PWM Pulse-Width Modulation) jest technika modulacji, w której dla celów transmisyjnych sygnał analogowy jest przekształcany na sygnał cyfrowy. Modulacja PWM konwertuje sygnał akustyczny (sygnał ze zmienna amplituda) na sekwencje impulsów o stałej częstotliwości powtarzania i stałej amplitudzie, ale o szerokości każdego impulsu proporcjonalnej do chwilowej amplitudy sygnału audio. Zależność miedzy sygnałem akustycznym i sygnałem z modulacja PWM pokazano na rysunku Do generacji sygnału z modulacja szerokości impulsów można zastosować generator przebiegu prostokątnego lub uniwibrator (przerzutnik monostabilny). Rysunek 11-2 prezentuje schemat generatora sygnału prostokątnego, w którym szerokość impulsu wyjściowego zależy od wartości rezystora R 2, kondensatora C 2 i napięcia Vin(+). Jeżeli składowa stała napięcia na wejściu Vin(+) ma stałą wartość i na wejście Audio podany zostanie sygnał akustyczny, to sygnał ten zostanie nałożony na składowa stała i wypadkowe napięcie odniesienia będzie się zmieniało zgodnie ze zmianami amplitudy sygnału akustycznego, a na wyjściu komparatora pojawi się sygnał z modulacja PWM. 1

2 Na rysunkach 11-3 i 11-4 pokazano odpowiednio układ wyprowadzeń i funkcjonalny obwód zastępczy popularnego uniwersalnego układu czasowego (timera) typu LM555. Układ składa się z 5 głównych sekcji: (1) komparatora dolnego lub impulsów wyzwalających, (2) komparatora górnego lub krytycznego, (3) przerzutnika bistabilnego FF (flip-flop), (4) tranzystora rozładowującego oraz (5) wzmacniacza wyjściowego. Jeżeli na wejście sterujące (pin 5) nie jest podane żadne napięcie, to napięcia odniesienia komparatora górnego i dolnego wynoszą odpowiednio 2VCC/3 i VCC/3. Napięcia odniesienia mogą być również wymuszane zewnętrznie przez sygnał podany na wejście sterujące (pin 5). W praktyce, gdy wejście to nie jest używane, powinno być połączone z masą przez kondensator blokujący o pojemności 0,01µF. Na rysunku 11-4 przedstawiono schemat przerzutnika astabilnego (multiwibratora) z układem LM555. Na wyjściu obwodu generowany jest sygnał prostokątny o częstotliwości zależnej od wartości rezystorów R1 i R2 oraz kondensatora C1. Zgodnie ze wzorem na stałą czasową czas ładowania t 1 wynosi 0,693x(R 1 +R 2 )xc 1, a czas rozładowania t 2-0,693xR 2 xc 1, zatem okres oscylacji jest równy T = t 1 +t 2 = 0,693x(R 1 +2xR 2 )xc 1. Na rysunku 11-5 pokazano przebiegi w charakterystycznych punktach obwodu. 2

3 3

4 Na rysunku 11-6 pokazano obwód uniwibratora opartego na układzie czasowym LM555. Jeżeli napięcie na wejściu wyzwalania zmieni stan z wysokiego (+12V) na niski (0V), to na wyjściu układu pojawi się impuls, którego szerokość T jest zależna od stałej czasowej R 1 C 1 i wynosi około 1,1xR 1 xc 1. Zakładając przykładowo, że R 1 =10kΩ i C 1 =0,01µF, to T jest równe około 110µs. Jeżeli układ jest wyzwalany (pin 2) sygnałem zegarowym o częstotliwości mniejszej niż 9,1kHz (np. z wyjścia układu z rysunku 11-5), to na wyjściu uniwibratora generowane są impulsy dodatnie. Podłączając teraz na wejście sterujące (pin 5) sygnał akustyczny, to na wyjściu układu uzyskujemy sygnał z modulacją szerokości impulsów PWM. Rysunek 11-7 pokazuje obwód modulatora szerokości impulsów z wykorzystaniem dwóch układów czasowych LM555. W obwodzie tym układ U1 pracuje jako przerzutnik astabilny (multiwibrator), natomiast układ U2 jako przerzutnik monostabilny (uniwibrator). Po połączeniu tych układów powstaje modulator PWM. Ciąg impulsów zegarowych wyzwalających uniwibrator (U2) pobierany jest z wyjścia (pin 3) multiwibratora (U1). Sygnał modulujący m.cz. podłączany jest do wejścia sterującego (pin 5) układu U2, a sygnał z modulacja PWM dostępny jest na wyjściu tego układu (pin 3). 4

5 Zespół Szkół Mechanicznych w Namysłowie Eksploatacja urządzeń elektronicznych Temat ćwiczenia: Modulatory PWM Imię i nazwisko Nr ćw 03 Data wykonania Klasa 3TZ Grupa Zespół OCENY Samoocena Wykonanie Ogólna CEL ĆWICZENIA: WYMAGANE WYPOSAŻENIE 1. Moduł KL-92001, moduł KL-94002, oscyloskop, Odpowiedz na pytania 1. Jaka funkcje pełni potencjometr VR1 na rysunkach 11-2 i 11-7? 2. Czy po zmianie wartości kondensatora C6 z rysunku 11-7 na 0,1µF sygnał wyjściowy będzie w dalszym ciągu sygnałem PWM? Uzasadnij odpowiedź. 3. Jaka jest różnica miedzy sygnałami wyjściowymi PWM w ćwiczeniach 11-1 i 11-2 z punktu widzenia polaryzacji napięcia? Ćwiczenie 11-1 Modulator PWM z układem µa W module KL zlokalizować obwód modulatora PWM ze wzmacniaczem operacyjnym typu µa Regulować potencjometrem VR1 do uzyskania na wejściu Vin(+) napięcia 0V i wpiąć zwieracz do punktu J1. 3. Do wejścia audio podłączyć sygnał sinusoidalny o częstotliwości 500Hz i amplitudzie 4Vp-p. 4. Na ekranie oscyloskopu obserwować sygnały na wejściu i wyjściu (pin 6) układu. Wyniki obserwacji zanotować w tabeli Odłączyć sygnał audio i wyjąc zwieracz z punktu J1. Potencjometrem wyregulować napięcie na wejściu Vin(+) na wartość 6V. 6. Wpiąć powtórnie zwieracz do punktu J1 i podłączyć na wejście sygnał akustyczny. 7. Na ekranie oscyloskopu obserwować sygnały na wejściu i wyjściu (pin 6) układu. Wyniki obserwacji zanotować w tabeli Odłączyć sygnał audio i wyjąć zwieracz z punktu J1. Potencjometrem wyregulować napięcie na wejściu Vin(+) na wartość -6V. 9. Wpiąć powtórnie zwieracz do punktu J1 i podłączyć na wejście sygnał akustyczny. 10. Na ekranie oscyloskopu obserwować sygnały na wejściu i wyjściu (pin 6) układu. Wyniki obserwacji zanotować w tabeli Odłączyć sygnał audio i wyjąć zwieracz z punktu J1. Potencjometrem wyregulować napięcie na wejściu Vin(+) na wartość 0V i ponownie wpiąć zwieracz do punktu J Zmienić amplitudę sygnału akustycznego na 10Vp-p. Powtórzyć punkty 4 do 10 ćwiczenia. Wyniki zanotować w tabeli Tabela 11-1 (Vm = 6Vp-p, fm = 500Hz) Napięcie polaryzacji Przebieg wejściowy Przebieg wyjściowy na wejściu Vin(+) 0V 5

6 6V -6V Napięcie polaryzacji na wejściu Vin(+) Tabela 11-2 Przebieg wejściowy (Vm = 10Vp-p, fm = 500Hz) Przebieg wyjściowy 0V 6V -6V 6

7 Ćwiczenie 11-2 Modulator PWM z układem LM W module KL zlokalizować obwód modulatora PWM. 2. Do wejścia audio podłączyć sygnał prostokątny o częstotliwości 1kHz i amplitudzie 5Vp-p. 3. Na ekranie oscyloskopu obserwować sygnały w punkcie pomiarowym T1 i na wyjściu układu, regulując potencjometrem VR1, aby w punkcie T1 uzyskać przebieg prostokątny (współczynnik wypełnienia przebiegu nie jest równy 50%). 4. Przełączyć sprzężenie wejściowe oscyloskopu na DC. Zaobserwować przebieg wyjściowy a wyniki zanotować w tabeli Zmienić sygnał wejściowy m.cz. na przebieg trójkątny i powtórzyć punkt Zmienić sygnał wejściowy m.cz. na przebieg sinusoidalny i powtórzyć punkt Zmienić amplitudę sygnału wejściowego na 3Vp-p i powtórzyć punkty 4 do 6. Wyniki zanotować w tabeli Tabela 11-3 (Vm = 5Vp-p, fm = 1kHz) Sygnał Przebieg wejściowy Przebieg wyjściowy wejściowy Prostokątny Trójkątny Sinusoidalny Sygnał wejściowy Tabela 11-4 Przebieg wejściowy (Vm = 3Vp-p, fm = 1kHz) Przebieg wyjściowy 7

8 Prostokątny Trójkątny Sinusoidalny WNIOSKI I SPOSTRZEŻENIA 8