Δημιουργία σημάτων PWM με κύκλο μεταβλητού καθήκοντος χρησιμοποιώντας FPGA

Αυτό το άρθρο εξηγεί το δημιουργία διαμόρφωσης πλάτους παλμού σήματα με μεταβλητό κύκλο λειτουργίας σε FPGA χρησιμοποιώντας VHDL. Το PWM έχει σταθερή συχνότητα και μεταβλητή τάση. Αυτό το άρθρο ασχολείται επίσης με τη Διαχείριση ψηφιακού ρολογιού για τη μείωση της συχνότητας του ρολογιού μειώνοντας την κλίση του σήματος ρολογιού. Μια σταθερή συχνότητα χρησιμοποιείται για την παραγωγή των δεδομένων εισόδου που παράγουν τα σήματα PWM χρησιμοποιώντας ένα συγκριτικό. Οι ηλεκτρονικές εταιρείες σχεδιάζουν το υλικό που είναι αφιερωμένο στα προϊόντα τους με τα πρότυπα και τα πρωτόκολλά τους, γεγονός που καθιστά δύσκολο για τους τελικούς χρήστες να αναδιαμορφώσουν το υλικό σύμφωνα με τις ανάγκες τους. Αυτή η απαίτηση για υλικό οδήγησε στην ανάπτυξη ενός νέου τμήματος με δυνατότητα διαμόρφωσης από τον πελάτη προγραμματιζόμενα ολοκληρωμένα κυκλώματα πεδίου που ονομάζονται FPGAs .

Διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM)

Η διαμόρφωση πλάτους παλμού χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές επικοινωνίας και συστήματα ελέγχου . Η διαμόρφωση πλάτους παλμού μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας διαφορετικές προσεγγίσεις στα συστήματα ελέγχου. Εδώ, σε αυτό το άρθρο, το PWM δημιουργείται χρησιμοποιώντας το Hardware Description Language (VHDL) και εφαρμόζεται σε FPGA. Η εφαρμογή του PWM σε FPGA μπορεί να επεξεργαστεί τα δεδομένα πιο γρήγορα και η αρχιτεκτονική του ελεγκτή μπορεί να βελτιστοποιηθεί για χώρο ή ταχύτητα.

Το PWM είναι μια τεχνική παροχής λογικής «0» και λογικής «1» για ελεγχόμενη χρονική περίοδο. Είναι μια πηγή σήματος που περιλαμβάνει τη διαμόρφωση του κύκλου λειτουργίας του για τον έλεγχο της ποσότητας ισχύος που αποστέλλεται στο φορτίο. Στο PWM, η χρονική περίοδος του τετραγωνικού κύματος διατηρείται σταθερή και ο χρόνος για τον οποίο το σήμα παραμένει ΥΨΗΛΟ ποικίλλει.

Το PWM παράγει τους παλμούς στην έξοδο του με τέτοιο τρόπο ώστε η μέση τιμή HIGHs και LOWs να είναι ανάλογη με την είσοδο PWM. Ο κύκλος λειτουργίας του σήματος μπορεί να ποικίλει. Ένα σήμα PWM είναι ένα τετράγωνο κύμα σταθερής περιόδου με διαφορετικό κύκλο λειτουργίας. Δηλαδή, η συχνότητα του σήματος PWM είναι σταθερή, αλλά η χρονική περίοδος του σήματος παραμένει υψηλή και ποικίλλει όπως φαίνεται.

Σήμα PWM

VHDL

Το VHDL είναι μια γλώσσα, που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη συμπεριφορά του ψηφιακά σχέδια κυκλωμάτων . Το VHDL χρησιμοποιείται από βιομηχανίες και ακαδημαϊκούς για σκοπούς προσομοίωσης ψηφιακών κυκλωμάτων. Ο σχεδιασμός του μπορεί να προσομοιωθεί και να μεταφραστεί με τη μορφή που είναι κατάλληλη για εφαρμογή σε υλικό.

Αρχιτεκτονική PWM

Για την παραγωγή δεδομένων εισαγωγής για τη δημιουργία του PWM χρησιμοποιώντας έναν μετρητή ελεύθερης ταχύτητας N-bit υψηλής ταχύτητας, του οποίου η έξοδος συγκρίνεται με την έξοδο μητρώου και αποθηκεύει τον επιθυμητό κύκλο λειτουργίας εισόδου με τη βοήθεια του συγκριτή. Ο συγκριτής Η έξοδος ορίζεται σε 1 όταν και οι δύο αυτές τιμές είναι ίσες. Αυτή η έξοδος συγκριτή χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση του μανδάλου RS. Το σήμα υπερχείλισης από τον μετρητή χρησιμοποιείται για την επαναφορά του μανδάλου RS. ο έξοδος του μανδάλου RS δίνει την επιθυμητή έξοδο PWM. Αυτό το σήμα υπερχείλισης χρησιμοποιείται επίσης για τη φόρτωση νέου κύκλου λειτουργίας N-bit στο Μητρώο. Το PWM έχει σταθερή συχνότητα και μεταβλητή τάση. Αυτή η τιμή τάσης αλλάζει από 0V σε 5 V.

Σήμα PWM με μεταβλητό κύκλο λειτουργίας

Το βασικό PWM παράγει τα σήματα, τα οποία δίνουν την έξοδο του PWM, απαιτεί έναν συγκριτή που συγκρίνει μεταξύ δύο τιμών. Η πρώτη τιμή αντιπροσωπεύει το τετραγωνικό σήμα που παράγεται από τον μετρητή bit N και η δεύτερη τιμή αντιπροσωπεύει το τετραγωνικό σήμα που περιέχει τις πληροφορίες σχετικά με τον κύκλο λειτουργίας. Ο μετρητής δημιουργεί το σήμα φόρτωσης όποτε υπάρχει υπερχείλιση. Μόλις ενεργοποιηθεί το σήμα φόρτωσης, ο καταχωρητής φορτώνει τη νέα τιμή κύκλου λειτουργίας. Το σήμα φορτίου χρησιμοποιείται επίσης για την επαναφορά του μάνδαλου. Η έξοδος μανδάλωσης είναι σήμα PWM. Αυτό ποικίλλει ανάλογα με την αλλαγή στην τιμή του κύκλου λειτουργίας.

Τι είναι το FPGA;

Το FPGA είναι Field Programmable Gate Array. Είναι ένας τύπος συσκευής που χρησιμοποιείται ευρέως σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Τα FPGA είναι συσκευές ημιαγωγών που περιέχουν προγραμματιζόμενα μπλοκ λογικής και κυκλώματα διασύνδεσης. Μπορεί να προγραμματιστεί ή να επαναπρογραμματιστεί στην απαιτούμενη λειτουργικότητα μετά την κατασκευή.

FPGA

Βασικά στοιχεία του FPGA

Όταν κατασκευάζεται μια πλακέτα κυκλώματος και εάν περιέχει ένα FPGA ως μέρος αυτού. Αυτό προγραμματίζεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατασκευής και περαιτέρω μπορεί να επαναπρογραμματιστεί αργότερα για να δημιουργήσει μια ενημέρωση ή να κάνει τις απαραίτητες αλλαγές. Αυτό το χαρακτηριστικό του FPGA το καθιστά μοναδικό από την ASIC. Εφαρμογή ειδικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (ASIC) είναι ειδικά κατασκευασμένα για συγκεκριμένες εργασίες σχεδιασμού. Στο παρελθόν τα FPGA χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη σχεδιασμού χαμηλής ταχύτητας, πολυπλοκότητας και έντασης, αλλά σήμερα το FPGA θα ωθήσει εύκολα το φράγμα απόδοσης έως τα 500MHz.

Στους μικροελεγκτές, το τσιπ έχει σχεδιαστεί για έναν πελάτη και πρέπει να γράψουν το λογισμικό και να το μεταγλωττίσουν σε hex αρχείο για φόρτωση στον μικροελεγκτή. Αυτό το λογισμικό μπορεί εύκολα να αντικατασταθεί καθώς είναι αποθηκευμένο στη μνήμη flash. Στα FPGAs, δεν υπάρχει επεξεργαστής για την εκτέλεση του λογισμικού και εμείς είμαστε εκείνοι που σχεδιάζουμε το κύκλωμα. Μπορούμε να διαμορφώσουμε ένα FPGA τόσο απλό όσο μια πύλη AND ή ένα συγκρότημα όπως ένας πολυπύρηνος επεξεργαστής. Για να δημιουργήσουμε ένα σχέδιο γράφουμε Hardware Description Language (HDL), η οποία είναι δύο τύπων - Verilog και VHDL. Στη συνέχεια, το HDL συντίθεται σε ένα bit αρχείο χρησιμοποιώντας ένα BITGEN για να διαμορφώσετε το FPGA. Το FPGA αποθηκεύει τη διαμόρφωση στη μνήμη RAM, δηλαδή η διαμόρφωση χάνεται όταν δεν υπάρχει συνδεσιμότητα τροφοδοσίας. Επομένως, πρέπει να διαμορφώνονται κάθε φορά που παρέχεται ρεύμα.

Αρχιτεκτονική του FPGA

Τα FPGA είναι προκατασκευασμένα τσιπ σιλικόνης που μπορούν να προγραμματιστούν ηλεκτρικά για την υλοποίηση ψηφιακών σχεδίων. Το πρώτο FPGA με βάση τη στατική μνήμη που ονομάζεται SRAM χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση τόσο της λογικής όσο και της διασύνδεσης χρησιμοποιώντας μια ροή bit διαμόρφωσης. Το σημερινό EPGA περιέχει περίπου 3.30.000 λογικά μπλοκ και περίπου 1.100 εισόδους και εξόδους.

Αρχιτεκτονική FPGA

Η αρχιτεκτονική του FPGA αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία

• Προγραμματιζόμενα λογικά μπλοκ, τα οποία εφαρμόζουν λογικές λειτουργίες
• Προγραμματιζόμενη δρομολόγηση (διασυνδέσεις), η οποία υλοποιεί λειτουργίες
• Μπλοκ I / O, τα οποία χρησιμοποιούνται για την πραγματοποίηση συνδέσεων off-chip

Εφαρμογές σημάτων PWM

Τα σήματα PWM χρησιμοποιούνται ευρέως για εφαρμογές ελέγχου. Όπως έλεγχος κινητήρων DC, βαλβίδες ελέγχου, αντλίες, υδραυλικά κ.λπ. Εδώ είναι οι λίγες εφαρμογές των σημάτων PWM.

• Συστήματα θέρμανσης με αργούς χρόνους 10 έως 100Hz ή υψηλότερους.
• Ηλεκτρικοί κινητήρες DC 5 έως 10KHz
• Τροφοδοτικά ή ενισχυτές ήχου 20 έως 200 KHz.

Αυτό το άρθρο αφορά το δημιουργία σημάτων PWM με μεταβλητό κύκλο λειτουργίας χρησιμοποιώντας FPGA. Επιπλέον, για οποιαδήποτε βοήθεια σε ηλεκτρονικά έργα ή αμφιβολίες σχετικά με αυτό το άρθρο, μπορείτε να επικοινωνήσετε μαζί μας σχολιάζοντας την παρακάτω ενότητα σχολίων.