Что такое шим модуляция звука

Что такое широтно-импульсная модуляция? Использование ШИМ в электронной музыке

Широтно-импульсная модуляция – это определённый способ кодировки сигнала, при котором изменяется ширина длительностей рабочего сигнала.

Довольно сложное понятие для простого пользователя.

Давайте рассмотрим его более подробно. Я не буду вдаваться в нюансы электроники, а попробую с помощью простых наглядных примеров выделить основное.

Сразу хочу отметить, что статья предназначена именно для музыкантов. В ней я покажу, где применяется широтно-импульсная модуляция и как её использовать.

В прошлых своих статьях « Модуляция звука и её применение » и « FM/RM синтез – интересное применение модуляции » я уже говорил о таких распространённых видах модуляции как амплитудная, частотная и кольцевая.

Чем же отличается широтно-импульсная модуляция и в чём её суть?

ШИМ или PWM (Pulse-Width Modulation) изменяет ширину импульса сигнала при неизменном его периоде.

На рисунке ниже представлен сигнал стандартной прямоугольной формы, где период T = t1 + t2 и t1 = t2.

При использовании широтно-импульсной модуляции, происходит следующее. Период T остаётся прежним, а импульс t1 уменьшается, t1 < t2 либо увеличивается t1 > t2. Смотрим на рисунки.

Теперь давайте посмотрим как же используется ШИМ на практике.

Для примера я буду пользоваться программой FL Studio и VST синтезатором Rob Papen Predator.

Откроем программу и на один из каналов пошагового секвенсора загрузим VST плагин Predator. Для этого выберем CHANNELS – Add one – Predator.

После этого выберем пресет по умолчанию и в области настройки первого осциллятора выберем форму волны SQUARE (прямоугольная).

Под регулятором waveform есть две ручки, отвечающие за использование ШИМ:

— PWM – степень модуляции. Насколько сильно будет уменьшаться и увеличиваться параметр t1.

— Speed – скорость изменения импульса. Насколько быстро импульс t1 будет менять своё значение от минимального к максимальному.

ШИМ не используется

Минимальное значение t1

Максимальное значение t1

Экспериментируя с этими параметрами можно добиться очень интересного звучания. Я настроил параметры ШИМ следующим образом.

В дополнении ко всему я использовал сайд-чен для придания звуку большей мощи и ритмичности. Вот что вышло.

Прослушать только бас

Прослушать бас с бочкой

Как по мне очень неплохо и довольно быстро.

Итак, в этой статье я вкратце рассказал о широтно-импульсной модуляции и как её можно использовать в электронной музыке.

Экспериментируйте друзья и удачи вам в творчестве!

Не забудьте поделиться информацией с друзьями, нажав на социальные кнопки ниже!

Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция?

Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.

Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.

Примером линейного способа может послужить переменный резистор. При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.

В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ. В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation.

Принцип импульсного регулирования

Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.

Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.

Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:

Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D. А величина, обратная ему называется скважностью:

На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.

Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.

Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Еще статьи по данной теме

Здравствуй Дмитрий! Рад, что продолжаешь делать новые уроки, у тебя, это отлично получается. Продолжай в том же духе.
Урок по ШИМ хороший, как всегда, но явно требуется продолжение. А именно, как реализуется ШИМ в микроконтроллерах, программно и аппаратно. Это очень актуальная тема для начинающих.
По поводу твоего сборника уроков по радиоэлектронике, согласен полностью, что информацию нужно собирать на просторах Ютуба, как говорят, » с миру по нитке». Но, содержание, твоего сборника, меня немного насторожило. Вот например, усилитель к174ун4, его наверно и в продаже нет. В свое время, я пытался собрать на этой мс усилок, но получил генератор, сильно капризная, чють, что не так, сразу самовозбуждается. Есть же неплохой усилитель на TDA2004, 2005(стерео), почему бы о ней не рассказать. По поводу резисторов, конденсаторов, транзисторов и диодов, то опытные радиолюбители давно перешли на SMD компоненты. Преимущества на лицо. Не нужно сверлить отверстия в печатной плате, компактно, стоят дешево (на али). Да ,и не мешало бы, в сборник уроков включить рекомендации, как самому нарисовать и распечатать плату. Ну это конечно автору решать, я лишь поделился своими мыслями.
Лично меня интересуют микроконтроллеры, все, что с ними связано. Вот, где Дмитрий, можно по настоящему развернуться. Я учусь программировать МК AVR, работаю с Atmel Stud!o7 , пишу на С, и считаю, что это самое перспективное направление. В будущем хотел бы заняться STM, но знаний, пока маловато. Твои уроки по МК, я смотрел с удовольствием, даже распечатал их в небольшую брошюрку, всегда под рукой если что то подзабыл, открыл, почитал, вспомнил. Очень удобно. Жаль, что нет продолжения уроков по микроконтроллерам AVR. Единственный канал на Ютубе по МК, который действительно раскрывает все аспекты программирования микроконтроллеров на си, это канал «narod stream», но смотреть его тяжело, очень специфически даёт материал, нужно пересматривать несколько раз, прежде чем поймёшь о чем речь. Ну может, автор на ,это и расчитывал.
Удачи тебе Дмитрий и новых уроков мы от тебя ждём!
Да и кстати, по работе в Atmel Studio, вообще очень скудная информация на русском. Можно сказать, что уроков , по настоящему раскрывающих эту мощную программу, нет, так скудные, обрывочные уроки.

Спасибо вам за вашу работу. Хотел бы предложить вам идею. Можно сделать такие видео, там например как очистить старые платы(разные способы) +как сделать из этих же плат новые(травление) и на них схемы собрать. Если вам идея понравилась скажите, если нет то тоже скажите.

Здравствуйте. Идея хорошая, только я ее не до конца понимаю. Точнее, не понимаю саму реализацию.

Дмитрий, ваши ролики стали для меня спасением в моем изучении радиотехники!
Решил обратиться к вам, может что подскажите или снимите ролик. По вашим видео начал разрабатывать схему ивентора с синусом изменяемой частоты от 0 до 20 кГц. С генератором треугольной формы разобрался, а с синусом (задаюший сигнал) оказалось сложней. Микрасхемы либо не способны выдавать нужную частоту, либо слабый сигнал, либо сильно искаженный сигнал. Есть ли какое-то решение этой проблемы?
Благодарю!

Здравствуйте вопрос
как называется величина, позволяющая качественно характеризовать ШИМ

Напряжение на дискретном выходе Ардуино 5 вольт . Является ли напряжение в 5 вольт ШИМ напряжением , при чем усредненным напряжением . И каково амплитудное напряжение и как его посчитать или измерить ?
Спасибо

Широтно импульсная модуляция сигналов (ШИМ)

Отзывов: 0 | Написать отзыв

Широтно-импульсная модуляция сигналов (сокращенно ШИМ) — процесс представления сигнала в виде череды импульсов с постоянной частотой и управления уровнем этого сигнала путём изменения скважности данных импульсов. В английском варианте ШИМ имеет название pulse-width modulation (PWM)

Определение звучит сложно, но на самом деле все очень просто. Достаточно понять, что такое скважность и среднее результирующее напряжение. Самый простой способ разобраться в понятии скважности и представить, что такое ШИМ, — это рассмотреть участок цепи, который находится под постоянным напряжением Uп, в результате чего в цепи течет постоянный ток Iп. Временная диаграмма такой ситуации представлена на рисунке 1.

Рисунок 1

Из диаграммы видно, что напряжение остается постоянным во времени. Теперь представьте, что это постоянное напряжение Uп мы начинаем равномерно включать-выключать с высокой частотой, например 2000 раз в секунду. В результате получим набор импульсов рисунок 2.

Рисунок 2

Оказывается, что в этом случае набор импульсов воспринимается потребителем тока (каким либо устройством) как постоянное напряжение, но с другим (результирующим) уровнем напряжения Uрез. Это справедливо только при достаточно большой частоте импульсов. Чтобы оценить, как это результирующее напряжение отличается от постоянного, необходимо сравнить количество заряженных частиц, протекающих по проводнику за период импульсного колебания (время импульса + время паузы), с количеством заряда протекающего при постоянном напряжении за то же время.

После математических вычислений получим формулу: Uрез = (Uи·tи) / T ,
где Uи — напряжение импульса; tи — время длительности импульса; Т — период одного импульсного колебания (сумма времени импульса и времени паузы).

Таким образом, для случая, изображенного на рис. 2, когда продолжительность импульса равна времени паузы между импульсами (то есть Т=2·tи) , результирующее напряжение получится: Uрез = (Uи·tи)/2·tи = 0,5 Uи. Результирующее напряжение получилось в два раза меньше напряжения импульса. При этом важно отметить, что в теории выделяются такие коэффициенты, как скважность — S = T / tи и обратный ему коэффициент заполнения — D = tи / T . Он, как правило, выражается в процентах.

Фактически коэффициент заполнения показывает, на сколько процентов импульс заполняет весь период колебания Т. Если коэффициент заполнения D равен 1 (100%), то время импульса целиком заполняет период и фактически это постоянное напряжение. Если уменьшить коэффициент заполнения D, например, до 0,25 (25%), то длительность импульса будет всего 25% от всего периода, а результирующее напряжение будет уже в 4 раза меньше, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3

Из всего сказанного следует и более наглядное понимание термина «Широтно-импульсная модуляция». Получается, что уровень сигнала (величина уровня напряжения) регулируется широтой импульса, т.е. сигнал модулируется посредством череды импульсов разной ширины.

Как видите, с помощью такой модуляции можно получать напряжения разных уровней. Причем в отличие от банального пропускания тока через резистор с целью уменьшения напряжения метод ШИМ гораздо экономичнее. Если регулировать напряжение резистором, то на нем выделяется тепло и часть электрической энергии теряется. При ШИМ энергии теряется существенно меньше, поэтому данная модуляция активно используется в различных регуляторах напряжения и блоках питания. Принципы импульсной модуляции используются для решения многих других задач.

Сгенерировать собственную ШИМ, а так ж собрать различные интересные схемы с применением устройств управляемых ШИМ, вы сможете в наборах первого уровня Эвольвектор.

Написать отзыв

Ваш отзыв: Внимание: HTML не поддерживается! Используйте обычный текст.

Широтно-импульсная модуляция — Pulse-width modulation

Пример ШИМ в идеализированной катушке индуктивности, управляемой источником напряжения, ■ модулированным в виде серии импульсов, в результате чего ■ синусоидальный ток в катушке индуктивности. Тем не менее, прямоугольные импульсы напряжения приводят к более гладкой форме волны тока по мере увеличения частоты переключения. Обратите внимание, что форма волны тока является интегралом формы волны напряжения.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ ) или ШИМ (PDM ), представляет собой метод уменьшения средней мощности, передаваемой электрическим сигналом, путем эффективного разделения его на отдельные части. Среднее значение напряжения (и тока ), подаваемого на нагрузку, регулируется путем быстрого включения и выключения переключателя между питанием и нагрузкой. Чем дольше переключатель находится во включенном состоянии по сравнению с периодами выключения, тем выше общая мощность, подаваемая на нагрузку. Наряду с отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT), это один из основных методов снижения выходной мощности солнечных панелей до уровня, который может использоваться батареей. ШИМ особенно подходит для работы с инерционными нагрузками, такими как двигатели, на которые не так легко повлиять дискретное переключение, потому что их инерция заставляет их реагировать медленно. Частота переключения ШИМ должна быть достаточно высокой, чтобы не влиять на нагрузку, то есть результирующая форма волны, воспринимаемая нагрузкой, должна быть как можно более плавной.

Скорость (или частота), с которой источник питания должен переключаться, может сильно различаться в зависимости от нагрузки и приложения. Например, в электроплите переключение нужно производить несколько раз в минуту; 120 Гц в диммере лампы; от нескольких килогерц (кГц) до десятков кГц для моторного привода; и вплоть до десятков или сотен кГц в усилителях звука и блоках питания компьютеров. Основное преимущество ШИМ — очень низкие потери мощности в коммутационных устройствах. Когда переключатель выключен, ток практически отсутствует, а когда он включен и мощность передается на нагрузку, на переключателе почти нет падения напряжения. Таким образом, потери мощности, являющиеся продуктом напряжения и тока, в обоих случаях близки к нулю. ШИМ также хорошо работает с цифровыми элементами управления, которые, благодаря своей природе включения / выключения, могут легко установить необходимый рабочий цикл. ШИМ также использовался в некоторых системах связи, где его рабочий цикл использовался для передачи информации по каналу связи.

В электронике многие современные микроконтроллеры (MCU) объединяют ШИМ-контроллеры, подключенные к внешним контактам, в качестве периферийных устройств под управлением прошивки с помощью внутреннего программные интерфейсы. Они обычно используются для постоянного тока (DC) управления двигателем в робототехнике и других приложениях.

Содержание

• 1 Рабочий цикл
• 2 История
• 3 Принцип
  • 3.1 Дельта
  • 3.2 Дельта-сигма
  • 3.3 Модуляция пространственного вектора
  • 3.4 Прямое управление крутящим моментом (DTC)
  • 3.5 Временное распределение
  • 3.6 Типы
  • 3.7 Спектр
  • 3.8 Теорема выборки ШИМ
  • 4.1 Сервоприводы
  • 4.2 Телекоммуникации
  • 4.3 Электропитание
  • 4.4 Регулировка напряжения
  • 4.5 Звуковые эффекты и усиление
  • 4.6 Электрооборудование
  • 4.7 Мягко мигающий светодиодный индикатор

  Рабочий цикл

  термин рабочий цикл описывает отношение времени «включения» к регулярному интервалу или «периоду» времени; низкий рабочий цикл соответствует низкой мощности, потому что большую часть времени питание отключено. Рабочий цикл выражается в процентах, при 100% включенном состоянии. Когда цифровой сигнал присутствует половину времени и выключен вторую половину времени, цифровой сигнал имеет рабочий цикл 50% и напоминает «прямоугольную» волну. Когда цифровой сигнал находится во включенном состоянии больше времени, чем в выключенном, он имеет рабочий цикл>50%. Когда цифровой сигнал находится в выключенном состоянии больше времени, чем во включенном состоянии, он имеет рабочий цикл y min <\ displaystyle y _ <\ text >> , y max <\ displaystyle y _ <\ text >> и D.

  Широтно-импульсная модуляция использует прямоугольную импульсную волну, ширина импульса которой модулируется, что приводит к изменению среднего значения формы волны. Если мы рассмотрим форму импульса f (t) <\ displaystyle f (t)>, с периодом T <\ displaystyle T>, низкое значение y min <\ displaystyle y _ <\ text >> , высокое значение y max <\ displaystyle y _ <\ text >> и a рабочий цикл D (см. Рисунок 1), среднее значение формы сигнала определяется как:

  As f (t) <\ displaystyle f (t)>— пульсовая волна, ее значение равно y max <\ displaystyle y _ <\ text >> для 0 и y min <\ displaystyle y_ <\ text >> для D ⋅ T . Приведенное выше выражение становится таким:

  y ¯ = 1 T (∫ 0 DT y max dt + ∫ DTT y min dt) = 1 T (D ⋅ T ⋅ y max + T (1 — D) y min) = D ⋅ Y max + (1 — D) y min <\ displaystyle <\ begin <\ bar > = <\ frac <1>> \ left (\ int _ <0>^ < DT>y _ <\ text > \, dt + \ int _

  ^ y _ <\ text > \, dt \ right) \\ = <\ frac <1> > \ left (D \ cdot T \ cdot y _ <\ text > + T \ left (1-D \ right) y _ <\ text > \ right) \\ = D \ cdot y _ <\ text > + \ left (1-D \ right) y _ <\ text > \ end >>

  Это последнее выражение можно довольно упростить во многих случаях, когда y min = 0 <\ displaystyle y _ <\ text > = 0> как y ¯ = D ⋅ y max <\ displaystyle <\ bar > = D \ cdot y _ <\ text <макс>>> . Следовательно, среднее значение сигнала ( y ¯ <\ displaystyle <\ bar >> ) напрямую зависит от рабочего цикла D.

  Рис. 2: Простым методом генерации последовательности импульсов ШИМ, соответствующей данному сигналу, является пересекающаяся ШИМ: сигнал (здесь красная синусоида) сравнивается с пилообразной формой волны (синий). Когда последнее меньше первого, сигнал ШИМ (пурпурный) находится в высоком состоянии (1). В противном случае он находится в низком состоянии (0).

  Самый простой способ сгенерировать сигнал ШИМ — это метод пересечения, который требует только формы сигнала пилы или треугольника (легко генерируется с помощью простого генератора ) и компаратора. Когда значение опорного сигнала (красный синусоидальной волны на рисунке 2) больше, чем формы сигнала модуляции (синий), сигнал ШИМ (пурпурного) находится в высоком состоянии, в противном случае она находится в низком состоянии.

  Дельта

  При использовании дельта-модуляции для ШИМ-управления, выходной сигнал интегрирован, и результат сравнивается с ограничениями, которые соответствуют опорного сигнала со смещением на константу. Каждый раз, когда интеграл выходного сигнала достигает одного из пределов, сигнал ШИМ меняет состояние. Рисунок 3

  Рис. 3: Принцип дельта-ШИМ. Выходной сигнал (синий) сравнивается с пределами (зеленый). Эти пределы соответствуют опорному сигналу (красному), смещение на заданную величину. Каждый раз, когда выходной сигнал (синий) достигает одного из пределов, сигнал ШИМ меняет состояние.

  Дельта-сигма

  При дельта-сигма-модуляции в качестве метода управления ШИМ выходной сигнал вычитается из опорный сигнал для формирования сигнала ошибки. Эта ошибка интегрирована, и когда интеграл ошибки превышает пределы, выход меняет состояние. Рисунок 4

  Рис. 4: Принцип сигма-дельта ШИМ. Верхняя зеленая осциллограмма — это опорный сигнал, из которого вычитается выходной сигнал (ШИМ, на нижнем графике) для формирования сигнала ошибки (синий, на верхнем графике). Эта ошибка интегрирована (средний график), и когда интеграл ошибки превышает пределы (красные линии), выход меняет состояние.

  Модуляция пространственного вектора

  Модуляция пространственного вектора — это алгоритм управления ШИМ для многофазная генерация переменного тока, при которой опорный сигнал дискретизируется регулярно; после каждой выборки ненулевые активные векторы переключения, смежные с опорным вектором, и один или несколько из нулевых векторов переключения выбираются для соответствующей части периода выборки, чтобы синтезировать опорный сигнал как среднее значение используемых векторов.

  Прямое управление крутящим моментом (DTC)

  Прямое управление крутящим моментом — это метод, используемый для управления двигателями переменного тока. Это тесно связано с дельта-модуляцией (см. Выше). Крутящий момент двигателя и магнитный поток оцениваются, и они контролируются, чтобы оставаться в пределах своих диапазонов гистерезиса, путем включения новой комбинации полупроводниковых переключателей устройства каждый раз, когда любой сигнал пытается выйти за пределы диапазона.

  Распределение времени

  Многие цифровые схемы могут генерировать сигналы ШИМ (например, многие микроконтроллеры имеют выходы ШИМ). Обычно они используют счетчик , который периодически увеличивается (он напрямую или косвенно связан с тактовым сигналом схемы) и сбрасывается в конце каждого периода ШИМ. Когда значение счетчика больше, чем опорное значение, выходной сигнал ШИМ изменяет состояние от максимума до минимума (или от низкого до высокого). Этот метод упоминается как пропорциональное время цикла,, в частности, как пропорциональное управление — какая часть фиксированного времени цикла тратится в высоком состоянии.

  Увеличивающийся и периодически сбрасываемый счетчик — это дискретная версия пилообразной формы метода пересечения. Аналоговый компаратор метода пересечения становится простым целочисленным сравнением между текущим значением счетчика и цифровым (возможно оцифрованным) эталонным значением. Рабочий цикл может быть изменен только дискретными шагами в зависимости от разрешения счетчика. Однако счетчик с высоким разрешением может обеспечить вполне удовлетворительную работу.

  Рис. 5: Три типа сигналов ШИМ (синий): модуляция по переднему фронту (вверху), модуляция по заднему фронту (в центре) и центрированные импульсы (модулируются оба фронта, внизу). Зеленые линии — это пилообразный сигнал (первый и второй случаи) и треугольный сигнал (третий случай), используемый для генерации сигналов ШИМ с использованием метода пересечения.

  Возможны три типа широтно-импульсной модуляции (ШИМ):

  1. Центр импульса может быть зафиксирован в центре временного окна, и оба фронта импульса перемещаются для сжатия или расширения ширины.
  2. Передний фронт может удерживаться на переднем фронте окна и заднюю кромку модулируют.
  3. Заднюю кромку можно фиксировать, а переднюю — модулировать.

  Спектр

  Результирующие спектры (из трех случаи) аналогичны, и каждый содержит компонент dc — основная боковая полоса, содержащая модулирующий сигнал и модулированные по фазе несущие на каждой гармонике частоты импульса.. Амплитуды групп гармоник ограничены sin ⁡ x / x <\ displaystyle \ sin x / x>огибающей (sinc function ) и простираются до бесконечности. Бесконечная полоса пропускания вызвана нелинейной работой широтно-импульсного модулятора. Как следствие, цифровая ШИМ страдает от искажений наложения спектров, что значительно снижает ее применимость в современной системе связи. Ограничивая полосу пропускания ядра ШИМ, можно избежать эффектов наложения спектров.

  Напротив, дельта-модуляция — это случайный процесс, который производит непрерывный спектр без отдельных гармоник.

  Теорема выборки ШИМ

  Процесс преобразования ШИМ является нелинейным, и обычно предполагается, что восстановление сигнала фильтра нижних частот несовершенно для ШИМ. Теорема выборки ШИМ показывает, что преобразование ШИМ может быть идеальным. Теорема утверждает, что «Любой сигнал с ограниченной полосой модулирующих сигналов в пределах ± 0,637 может быть представлен формой волны широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с единичной амплитудой. Число импульсов в форме волны равно количеству отсчетов Найквиста, а ограничение пика не зависит от того, форма волны может быть двухуровневой или трехуровневой ».

  • Теорема выборки Найквиста-Шеннона: «Если у вас есть сигнал, который полностью ограничен полосой пропускания f 0, тогда вы можете собрать всю информацию, содержащуюся в этом сигнале, путем выборки это в дискретное время, пока ваша частота дискретизации больше 2f 0. «

  Приложения

  Сервоприводы

  ШИМ используется для управления сервомеханизмами ; см. сервоуправление.

  Телекоммуникации

  В телекоммуникациях ШИМ — это форма сигнала модуляции, где ширина импульсов соответствует определенным значениям данных, закодированных на одном конце и декодируется на другом.

  Импульсы различной длины (сама информация) будут отправляться через равные промежутки времени (несущая частота модуляции).

  Включение тактового сигнала не обязательно, поскольку передний фронт сигнала данных может использоваться как тактовый, если небольшой смещение добавляется к каждому значению данных, чтобы избежать значения данных с импульсом нулевой длины.

  Подача мощности

  ШИМ может использоваться для управления количеством мощности, подаваемой на нагрузку, без потерь, которые могут возникнуть в результате линейной подачи мощности резистивными средствами. Недостатки этого метода заключаются в том, что мощность, потребляемая нагрузкой, не является постоянной, а скорее прерывистой (см. Понижающий преобразователь ), а энергия, подаваемая в нагрузку, также не является непрерывной. Однако нагрузка может быть индуктивной и с достаточно высокой частотой и при необходимости с использованием дополнительных пассивных электронных фильтров последовательность импульсов может быть сглажена и восстановлена ​​средняя аналоговая форма волны. Поток мощности в нагрузку может быть непрерывным. Поток мощности от источника не является постоянным и в большинстве случаев потребует накопления энергии на стороне источника. (В случае электрической цепи конденсатор для поглощения энергии, накопленной в (часто паразитной) индуктивности стороны питания.)

  Высокая частота ШИМ-системы управления мощностью легко реализовать с помощью полупроводниковых переключателей. Как объяснялось выше, переключатель почти не рассеивает мощность ни во включенном, ни в выключенном состоянии. Однако во время переходов между включенным и выключенным состояниями и напряжение, и ток отличны от нуля, и, таким образом, мощность рассеивается в переключателях. При быстром изменении состояния между полностью включенным и полностью выключенным (обычно менее 100 наносекунд) рассеиваемая мощность в переключателях может быть довольно низкой по сравнению с мощностью, подаваемой на нагрузку.

  Современные полупроводниковые переключатели, такие как MOSFET или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), хорошо подходят для создания высокоэффективных контроллеров. Преобразователи частоты, используемые для управления двигателями переменного тока, могут иметь КПД более 98%. Импульсные источники питания имеют более низкий КПД из-за низкого уровня выходного напряжения (часто требуется даже менее 2 В для микропроцессоров), но все же можно достичь КПД более 70–80%.

  Компьютерные контроллеры вентиляторов с регулируемой скоростью обычно используют ШИМ, поскольку он намного эффективнее по сравнению с потенциометром или реостатом. (Ни один из последних не является практичным для электронного управления; для них потребуется небольшой приводной двигатель.)

  Диммеры для домашнего использования используют особый тип управления ШИМ. Диммеры для домашнего использования обычно включают в себя электронную схему, которая подавляет ток в течение определенных частей каждого цикла сетевого напряжения переменного тока. Регулировка яркости света, излучаемого источником света, в этом случае просто вопрос установки того, при каком напряжении (или фазе) в полупериоде переменного тока диммер начинает подавать электрический ток на источник света (например, с помощью электронного переключателя, такого как симистор ). В этом случае рабочий цикл ШИМ — это отношение времени проводимости к продолжительности полупериода переменного тока, определяемого частотой сетевого напряжения переменного тока (50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны).

  Эти довольно простые типы диммеров могут эффективно использоваться с инертными (или относительно медленно реагирующими) источниками света, такими как, например, лампы накаливания, для которых дополнительная модуляция подаваемой электрической энергии, вызванная диммером, вызывает только незначительные дополнительные колебания излучаемого света. Однако некоторые другие типы источников света, такие как светоизлучающие диоды (СИД), включаются и выключаются очень быстро и будут заметно мерцать при питании от низкочастотного управляющего напряжения. Ощутимые эффекты мерцания от таких источников света с быстрым откликом можно уменьшить, увеличив частоту ШИМ. Если флуктуации света достаточно быстрые (быстрее, чем порог слияния мерцания ), человеческая зрительная система больше не может их разрешать, и глаз воспринимает среднюю по времени интенсивность без мерцания.

  В электрических плитах постоянно регулируемая мощность подается на нагревательные элементы, такие как плита или гриль, с помощью устройства, известного как simmerstat. Он состоит из теплового осциллятора, работающего примерно с двумя циклами в минуту, и механизм изменяет рабочий цикл в соответствии с настройкой ручки. Тепловая постоянная времени нагревательных элементов составляет несколько минут, поэтому колебания температуры слишком малы, чтобы иметь значение на практике.

  Регулировка напряжения

  ШИМ также используется в эффективных регуляторах напряжения. При переключении напряжения на нагрузку с соответствующим рабочим циклом выход будет приближаться к напряжению на желаемом уровне. Шум переключения обычно фильтруется с помощью катушки индуктивности и конденсатора.

  . Один из методов измеряет выходное напряжение. Когда оно ниже желаемого напряжения, он включает переключатель. Когда выходное напряжение выше желаемого напряжения, он выключает переключатель.

  Звуковые эффекты и усиление

  Изменение рабочего цикла импульсной волны в синтезаторе создает полезные тембральные вариации. Некоторые синтезаторы имеют триммер рабочего цикла для выходных сигналов прямоугольной формы, и этот триммер можно настроить на слух; точка 50% (истинная прямоугольная волна) была отличительной, потому что четные гармоники по существу исчезают на 50%. Пульсовые волны, обычно 50%, 25% и 12,5%, составляют саундтреки классических видеоигр. Термин ШИМ, используемый в синтезе звука (музыки), относится к соотношению между высоким и низким уровнем, вторично модулируемым с помощью низкочастотного генератора. Это дает звуковой эффект, похожий на хорус или слегка расстроенные генераторы, играемые вместе. (Фактически, ШИМ эквивалентен сумме двух пилообразных волн с одной из них инвертированной.)

  Становится популярным новый класс звуковых усилителей, основанный на принципе ШИМ. Названные усилителями класса D, они производят ШИМ-эквивалент аналогового входного сигнала, который подается на громкоговоритель через подходящую сеть фильтров для блокировки несущей и восстановления исходного звука. Эти усилители характеризуются очень хорошими показателями эффективности (≥ 90%) и компактными размерами / малым весом для большой выходной мощности. В течение нескольких десятилетий промышленные и военные усилители ШИМ широко используются, часто для управления серводвигателями. Катушки градиента поля в машинах MRI управляются относительно мощными усилителями PWM.

  Исторически грубая форма ШИМ использовалась для воспроизведения цифрового звука PCM на динамике ПК, который управляется только двумя уровнями напряжения, обычно 0 В и 5 В. Тщательно рассчитав длительность импульсов и полагаясь на физические фильтрующие свойства динамика (ограниченная частотная характеристика, самоиндуктивность и т. Д.), Можно было получить приблизительное воспроизведение сэмплов моно ИКМ, хотя и при очень низкого качества и с очень разными результатами между реализациями.

  В последнее время был представлен метод кодирования звука Direct Stream Digital, который использует обобщенную форму широтно-импульсной модуляции, называемую модуляцией плотности импульса, при достаточно высокая частота дискретизации (обычно порядка МГц) для покрытия всего акустического диапазона частот с достаточной точностью. Этот метод используется в формате SACD, и воспроизведение кодированного аудиосигнала по существу аналогично методу, используемому в усилителях класса D.

  Электрические

  сигналы SPWM (широтно-импульсная модуляция синусоидального треугольника) используются в конструкции микроинвертора (используются в солнечной и ветровой энергетике). Эти коммутационные сигналы подаются на полевые транзисторы, которые используются в устройстве. Эффективность устройства зависит от содержания гармоник сигнала ШИМ. Существует много исследований по устранению нежелательных гармоник и повышению мощности основной гармоники, некоторые из которых включают использование модифицированного несущего сигнала вместо классического пилообразного сигнала для уменьшения потерь мощности и повышения эффективности. Другое распространенное применение — робототехника, где сигналы ШИМ используются для управления скоростью робота путем управления двигателями.

  Светодиодный индикатор с мягким миганием

  Методы ШИМ обычно используются для того, чтобы некоторые индикаторы (например, светодиод ) «мягко мигали». Свет будет медленно переходить от темного к полной интенсивности и снова медленно переходить в темноту. Затем это повторяется. Период будет составлять от нескольких мягких миганий в секунду до нескольких секунд для одного мигания. Индикатор такого типа не будет мешать так сильно, как «жестко мигающий» индикатор включения / выключения. Контрольная лампа на Apple iBook G4, PowerBook 6,7 (2005) была именно этого типа. Такой индикатор еще называют «пульсирующим свечением», а не «мигающим».

   

  Похожие публикации:

  1. Qsd1 автомат что это
  2. В чем проявляется старение полимеров
  3. Закон сохранения энергии кто открыл
  4. Из чего делают полупроводники