Ενότητα γεννήτριας SPWM (χωρίς χρήση μικροελεγκτή): 14 βήματα

2025 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2025-01-23 14:39

Γεια σε όλους, καλώς ήλθατε στο διδακτικό μου! Ελπίζω να τα πάτε όλα τέλεια. Πρόσφατα, ενδιαφέρθηκα να πειραματιστώ με σήματα PWM και συνάντησα την έννοια του SPWM (ή Sinusoidal Pulse Width Modulation) όπου ο κύκλος λειτουργίας μιας αμαξοστοιχίας παλμών διαμορφώνεται από ένα ημιτονοειδές κύμα. Συνάντησα μερικά αποτελέσματα όπου τέτοια είδη σημάτων SPWM μπορούν εύκολα να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας έναν μικροελεγκτή όπου ο κύκλος λειτουργίας δημιουργείται χρησιμοποιώντας έναν πίνακα αναζήτησης που περιέχει τις απαραίτητες τιμές για την εφαρμογή του ημιτονοειδούς κύματος.

Wantedθελα να δημιουργήσω ένα τέτοιο σήμα SPWM χωρίς μικροελεγκτή και έτσι χρησιμοποίησα τους λειτουργικούς ενισχυτές ως την καρδιά του συστήματος.

Ας αρχίσουμε!

Προμήθειες

1. LM324 Quad OpAmp IC
2. LM358 διπλό συγκριτικό IC
3. Βάση/πρίζα IC 14 ακίδων
4. 10K αντιστάσεις-2
5. Αντιστάσεις 1Κ-2
6. 4.7K αντιστάσεις-2
7. 2.2K αντιστάσεις-2
8. 2K μεταβλητή αντίσταση (προεπιλογή) -2
9. Κεραμικός πυκνωτής 0.1uF-1
10. Κεραμικός πυκνωτής 0,01uF-1
11. Αρσενική κεφαλίδα 5 ακίδων
12. Veroboard ή διάτρητος πίνακας
13. Πυροβόλο θερμής κόλλας
14. Εξοπλισμός συγκόλλησης

Βήμα 1: Θεωρία: Επεξήγηση της δημιουργίας σημάτων για SPWM

Για να δημιουργήσουμε σήματα SPWM χωρίς μικροελεγκτή, χρειαζόμαστε δύο τριγωνικά κύματα διαφορετικών συχνοτήτων (αλλά κατά προτίμηση το ένα πρέπει να είναι το πολλαπλάσιο του άλλου). Όταν αυτά τα δύο τριγωνικά κύματα συγκρίνονται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ένα συγκριτικό IC όπως το LM358 τότε παίρνουμε το απαιτούμενο σήμα SPWM. Ο συγκριτής δίνει ένα υψηλό σήμα όταν το σήμα στο μη αναστρέψιμο τερματικό του OpAmp είναι μεγαλύτερο από αυτό του σήματος στον ακροδέκτη αναστροφής. Έτσι, όταν τριγωνικό κύμα υψηλής συχνότητας τροφοδοτείται στον μη αναστρέψιμο πείρο και το τριγωνικό κύμα χαμηλής συχνότητας στον αναστροφικό πείρο του συγκριτή, λαμβάνουμε πολλές περιπτώσεις όπου το σήμα στο μη αναστρέψιμο τερματικό αλλάζει πλάτος αρκετές φορές πριν από το σήμα στον ακροδέκτη αναστροφής. Αυτό επιτρέπει μια κατάσταση όπου η έξοδος OpAmp είναι μια αμαξοστοιχία παλμών των οποίων ο κύκλος λειτουργίας ρυθμίζεται από τον τρόπο αλληλεπίδρασης των δύο κυμάτων.

Βήμα 2: Διάγραμμα κυκλώματος: Επεξήγηση και θεωρία

Αυτό είναι το διάγραμμα κυκλώματος ολόκληρου του έργου SPWM που αποτελείται από δύο γεννήτριες κυματομορφής και έναν συγκριτή.

Ένα τριγωνικό κύμα μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας 2 λειτουργικούς ενισχυτές και έτσι θα απαιτηθούν συνολικά 4 OpApms για τα δύο κύματα. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποίησα το πακέτο LM324 quad OpAmp.

Ας δούμε πώς πραγματικά δημιουργούνται τα τριγωνικά κύματα.

Αρχικά το πρώτο OpAmp λειτουργεί ως ολοκληρωτής του οποίου ο μη αναστρέψιμος πείρος είναι συνδεδεμένος σε δυναμικό (Vcc/2) ή στο μισό της τάσης τροφοδοσίας χρησιμοποιώντας δίκτυο διαχωριστή τάσης 2 αντιστάσεων 10kiloOhm. Χρησιμοποιώ 5V ως τροφοδοσία, οπότε ο μη αναστρέψιμος πείρος έχει δυναμικότητα 2,5 βολτ. Μια εικονική σύνδεση του αναστρέψιμου και μη αναστρέψιμου πείρου μας επιτρέπει επίσης να υποθέσουμε το δυναμικό των 2,5v σε αναστρέφοντας τον πείρο που φορτίζει αργά τον πυκνωτή. Μόλις ο πυκνωτής φορτιστεί στο 75 τοις εκατό της τάσης τροφοδοσίας, η έξοδος του άλλου λειτουργικού ενισχυτή που έχει διαμορφωθεί ως συγκριτής αλλάζει από χαμηλή σε υψηλή. Αυτό με τη σειρά του αρχίζει να αποφορτίζει τον πυκνωτή (ή απο-ενσωματώνεται) και μόλις η τάση στον πυκνωτή πέσει κάτω από το 25 τοις εκατό της τάσης τροφοδοσίας, η έξοδος του συγκριτή πέφτει ξανά χαμηλά, η οποία αρχίζει πάλι να φορτίζει τον πυκνωτή. Αυτός ο κύκλος ξεκινά ξανά και έχουμε ένα τριγωνικό κύμα τρένο. Η συχνότητα του τριγωνικού κύματος καθορίζεται από την τιμή των αντιστάσεων και των πυκνωτών που χρησιμοποιούνται. Μπορείτε να ανατρέξετε στην εικόνα σε αυτό το βήμα για να λάβετε τον τύπο για τον υπολογισμό της συχνότητας.

Εντάξει, έτσι ολοκληρώθηκε το μέρος της θεωρίας. Ας χτίσουμε!

Βήμα 3: Συγκέντρωση όλων των απαιτούμενων τμημάτων

Οι εικόνες δείχνουν όλα τα μέρη που απαιτούνται για τη δημιουργία της μονάδας SPWM. Έχω τοποθετήσει τα IC στην αντίστοιχη βάση IC έτσι ώστε να μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν εάν χρειαστεί. Μπορείτε επίσης να προσθέσετε έναν πυκνωτή 0.01uF στην έξοδο των τριγωνικών και SPWM κυμάτων για να αποφύγετε τυχόν διακυμάνσεις σήματος και να διατηρήσετε το μοτίβο SPWM σταθερό.

Έκοψα το απαιτούμενο κομμάτι veroboard για να ταιριάξω σωστά τα εξαρτήματα.

Βήμα 4: Δημιουργία του δοκιμαστικού κυκλώματος

Τώρα, πριν ξεκινήσουμε τη συγκόλληση των εξαρτημάτων, είναι απαραίτητο να βεβαιωθούμε ότι το κύκλωμά μας λειτουργεί όπως επιθυμούμε και επομένως είναι απαραίτητο να δοκιμάσουμε το κύκλωμά μας στο breadboard και να κάνουμε αλλαγές εάν είναι απαραίτητο. Η παραπάνω εικόνα δείχνει το πρωτότυπο του κυκλώματός μου στο breadboard.

Βήμα 5: Παρατήρηση των σημάτων εξόδου

Για να βεβαιωθείτε ότι η κυματομορφή εξόδου μας είναι σωστή, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε έναν παλμογράφο για να απεικονίσετε τα δεδομένα. Δεδομένου ότι δεν κατέχω επαγγελματικό DSO ή οποιοδήποτε είδος παλμογράφου, πήρα τον εαυτό μου αυτό το φτηνό παλμογράφο- DSO138 από το Banggood. Λειτουργεί μια χαρά για ανάλυση σήματος χαμηλής έως μέσης συχνότητας. Για εκτός εφαρμογής θα δημιουργήσουμε τριγωνικά κύματα συχνοτήτων 1KHz και 10KHz, τα οποία μπορούν εύκολα να απεικονιστούν σε αυτό το εύρος. Φυσικά, μπορείτε να πάρετε πολύ πιο αξιόπιστες πληροφορίες για σήματα σε έναν επαγγελματικό παλμογράφο, αλλά για γρήγορη ανάλυση, αυτό το μοντέλο λειτουργεί μια χαρά!

Βήμα 6: Παρατήρηση των τριγωνικών σημάτων

Οι παραπάνω εικόνες δείχνουν τα δύο τριγωνικά κύματα που παράγονται από τα δύο κυκλώματα παραγωγής σήματος.

Βήμα 7: Παρατήρηση του σήματος SPWM

Μετά την επιτυχή παραγωγή και παρατήρηση των τριγωνικών κυμάτων, έχουμε τώρα μια ματιά στην κυματομορφή SPWM που δημιουργείται στην έξοδο του συγκριτή. Η προσαρμογή της βάσης γραβάτας του εύρους μας επιτρέπει να αναλύσουμε σωστά τα σήματα.

Βήμα 8: Συγκόλληση εξαρτημάτων στο Perfboard

Τώρα που έχουμε δοκιμάσει και δοκιμάσει το κύκλωμά μας, αρχίζουμε επιτέλους να κολλάμε τα εξαρτήματα στο veroboard για να το κάνουμε πιο μόνιμο. Συγκολλήσαμε τη βάση IC μαζί με τις αντιστάσεις, τους πυκνωτές και τις μεταβλητές αντιστάσεις σύμφωνα με το σχηματικό σχήμα. Είναι σημαντικό η τοποθέτηση των εξαρτημάτων να είναι τέτοια ώστε να πρέπει να χρησιμοποιούμε ελάχιστα καλώδια και οι περισσότερες συνδέσεις να γίνονται με ίχνη συγκόλλησης.

Βήμα 9: Ολοκλήρωση της διαδικασίας συγκόλλησης

Μετά από περίπου 1 ώρα συγκόλλησης ήμουν πλήρης με όλες τις συνδέσεις και έτσι φαίνεται τελικά η ενότητα. Είναι αρκετά μικρό και συμπαγές.

Βήμα 10: Προσθήκη ζεστής κόλλας για την πρόληψη των σορτς

Προκειμένου να ελαχιστοποιήσω τυχόν σορτς τυχόν σορτς ή τυχαία μεταλλική επαφή στην πλευρά συγκόλλησης, αποφάσισα να το προστατεύσω με ένα στρώμα θερμής κόλλας. Διατηρεί τις συνδέσεις ανέπαφες και απομονωμένες από τυχαία επαφή. Κάποιος μπορεί να χρησιμοποιήσει ακόμη και μονωτική ταινία για να κάνει το ίδιο.

Βήμα 11: Pin-out της ενότητας

Η παραπάνω εικόνα δείχνει το pinout της μονάδας που έφτιαξα. Έχω συνολικά 5 αρσενικούς πείρους κεφαλίδας, εκ των οποίων οι δύο είναι για παροχή ρεύματος (Vcc και Gnd), ο ένας πείρος είναι να παρατηρεί το γρήγορο τριγωνικό κύμα, ο άλλος πείρος είναι να παρατηρεί το αργό τριγωνικό κύμα και τέλος ο τελευταίος πείρος είναι το SPWM παραγωγή. Οι τριγωνικές ακίδες κύματος είναι σημαντικές εάν θέλουμε να ρυθμίσουμε τη συχνότητα του κύματος.

Βήμα 12: Προσαρμογή της συχνότητας των σημάτων

Τα ποτενσιόμετρα χρησιμοποιούνται για τον ακριβή συντονισμό της συχνότητας κάθε τριγωνικού σήματος κύματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν είναι όλα τα συστατικά ιδανικά και έτσι η θεωρητική και πρακτική αξία μπορεί να διαφέρουν. Αυτό μπορεί να αντισταθμιστεί ρυθμίζοντας τις προεπιλογές και αντίστοιχα κοιτάζοντας την έξοδο του παλμογράφου.

Βήμα 13: Σχηματικό αρχείο

Επισυνάπτω τη σχηματική διάταξη για αυτό το έργο. Μη διστάσετε να το τροποποιήσετε σύμφωνα με τις ανάγκες σας.

Ελπίζω να σας αρέσει αυτό το σεμινάριο.

Μοιραστείτε τα σχόλια, τις προτάσεις και τις ερωτήσεις σας στα παρακάτω σχόλια.

Μέχρι την επόμενη φορά:)