Individ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ИИСТ

Индивидуальное задание на тему:

«Синтез сигналов с широтно-импульсной модуляцией с использованием графической среды программирования LabVIEW»

Выполнил:

Группа:

Проверил:

Санкт-Петербург

201

Общие сведения о ШИМ

Широтно-импульсная модуляция применяется в технике, как способ преобразования переменного напряжения в постоянное, с изменением его среднего значения (Ud). Управление средним значением напряжения происходит путем изменения скважности импульсов.

Скважность – это отношение одного периода, к времени действия (длительности) импульса в нем. В англоязычной литературе часто встречается понятие коэффициент заполнения, который обратно пропорционален скважности (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Коэффициенты заполнения импульсов.

На рисунке 1 изображены импульсы, которые возникают с определенной периодичностью, рассмотрим первый случай. Длительность импульса равна ¼ периода Т, это означает, что коэффициент заполнения равен 25%, а скважность – 4. Аналогично все выполняется и для остальных случаев. Специфическое название имеется у второго набора импульсов, когда коэффициент заполнения – 50%, этот сигнал называется меандр.

Существуют цифровые и аналоговые ШИМ. Принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения.

Принцип действия заключается в сравнении двух видов сигналов:

• Uоп – опорное (пилообразное, треугольное) напряжение;

• Uупр – входное постоянное напряжение.

Эти сигналы поступают на компаратор, где они сравниваются и при их пересечении возникает / исчезает (или становится отрицательным) сигнал на выходе ШИМ.

Выходное напряжение Uвых ШИМ имеет вид импульсов, изменяя их длительность, регулируем среднее значение напряжения (Ud) на выходе ШИМ:

Рисунок 2 – Однополярная модуляция.

На рисунке 2 изображена однополярная модуляция, которая означает, что происходит формирование импульсов только положительной величины и имеет место нулевое значение напряжения. Осуществить однополярную модуляцию в некоторых схемах невозможно, ее преимущество: малое амплитудное значение высокочастотных гармоник.

Преимущество использования ШИМ - это легкость изменения величины напряжения при минимальных потерях. Конечно же, можно, использовать делитель напряжения, но его работа основана на применении резисторов, а на них происходит рассеивание энергии, что в свою очередь вызывает нагрев и неэкономичность (преобразование электрической энергии в тепловую).

Работа широтно-импульсного преобразователя реализуется с помощью полупроводниковых приборов – транзисторов. Максимальные потери на транзисторах бывают в полуоткрытом их состоянии. Поэтому используют два крайних их положения: полностью открыты или закрыты, тогда потери минимальны. Частота срабатывания транзисторов очень большая, то есть переходные состояния имеют мало времени и потери, фактически, сводятся к нулю.

Изменение яркости дисплеев на мониторах, телефонах осуществляется с помощью ШИМ, так как это надежный, простой, компактный и экономичный способ регулирования постоянного напряжения.

ШИМ нашел широкое применение как регулятор оборотов двигателей постоянного тока (ДПТ) .

Цифровой синтез сигналов в системе LabVIEW

Синтез сигналов до относительно недавнего времени был основан на применении решений из аналоговой схемотехники, однако с ростом требований к параметрам сигналов, к возможностям настройки характеристик сигналов в широком спектре амплитуд и частот и т. д. разработчики стали использовать методы цифровой техники.

Цифровые методы обработки и синтеза сигналов в настоящее время используются практически во всех отраслях электронной промышленности и бытовой техники (мобильные телефоны, цифровое телевидение, компьютеры и т. д.).

Генераторы и синтезаторы частот, модуляторы и преобразователи сигналов произвольной формы используются повсеместно в системах радио- и мобильной связи, в беспроводных системах управления и контроля в науке и промышленности. Система LabVIEW включает широкий набор аппаратно-программных средств для цифрового синтеза сигналов.

Для синтеза сигналов в системе LabVIEW можно использовать обширный математический аппарат, с помощью которого можно создать (сгенерировать) практически любую форму сигнала, включая модули NI DAQ, имеющие цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). С помощью виртуальных инструментов можно получить практически любую форму сигнала, а затем синтезировать такой сигнал физически в цифроаналоговом преобразователе. Средства цифрового синтеза сигналов, доступные в LabVIEW, можно успешно использовать для линейного инелинейного преобразования сигналов .

Синтез сигналов с широтно-импульсной модуляцией

Этот тип сигналов очень широко используется в системах управления приводами, ПИД-регуляторах, импульсных источниках питания и как недорогой программно-управляемый источник напряжения. С помощью системы LabVIEW ШИМ-модулятор можно реализовать программным методом, используя функциональные элементы и цифроаналоговый преобразователь.

Для реализации ШИМ-модулятора используются два сигнала: сигнал несущей треугольной формы с пиковым значением амплитуды 3 В и частотой2000 Гц и сигнал управления синусоидальной формы с пиковым значением амплитуды 5 В и переменной частотой от 50 до 250 Гц. Панель интерфейса пользователя нашего ШИМ-модулятора показана на рис. 3.

Рисунок 3 - Панель интерфейса пользователя ШИМ-модулятора.

На этой панели компонент WaveformGraph («Controlsignal») используетсядля отображения сигнала несущей треугольной формы и управляющего сигнала синусоидальной формы. Графический индикатор WaveformGraph(«PWMsignal») будет отображать результирующий ШИМ-сигнал.Круговой регулятор «ControlAmplitude, V» используется для задания амплитуды управляющего синусоидального напряжения, а цифровой регулятор «ControlFrequency, Hz» позволяет задавать частоту управляющего сигнала в требуемом диапазоне.

На рисунке 4 показана блок-схема нашего виртуального инструмента.

Здесь управляющий синусоидальный сигнал генерируется с помощью элемента SimulateSignal, а его параметры (амплитуда и частота) задаются с помощью двух регуляторов. Сигнал несущей треугольной формы формируется в элементе SimulateSignal 2, параметры которого задаются на странице свойств (рисунок 5).

Рисунок 4 - Блок-схема виртуального прибора.

Рисунок 5 - Страница свойств SimulateSignal 2.

Здесь для параметра Signaltype нужно выбрать значение Triangle, параметр Frequency(Hz) установить равным 2000 и параметр Amplitude взять равным 3. Кроме того, и это очень существенно, для неискаженного воспроизведения сигнала выберем частоту дискретизации равной 100 000 выборок/с. Точно такая же частота дискретизации должна быть выбрана и для синусоидального управляющего сигнала.

Теперь рассмотрим ключевой вопрос нашего примера: как реализовать ШИМ, используя функциональные элементы LabVIEW. Для этого вначале представим процесс генерации широтно-импульсного сигнала в более простой форме, используя известное схемотехническое решение, показанное на рис. 6.

Рисунок 6 - Схематичное представление генерации ШИМ.

Подобную схему в LabVIEW можно реализовать, используя компонент Subtract (категория Functions⇒Express⇒Arithmetic&Comparison⇒ExpressNumeric),компонент Greater? (категория Functions ⇒ Express ⇒ Arithmetic & Comparison ⇒ Express Comparison) и компонент And (категория Functions ⇒ Express ⇒ Arithmetic & Comparison ⇒ Express Boolean).

Сформированный ШИМ-сигнал выводится в канал 0 цифроаналогового преобразователя (Dev1/ao0), для чего используется компонент DAQ Assistant. Страница свойств этого компонента показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Страница свойств компонента DAQAssistant.

Здесь аналоговый выход Dev1/ao0 включается по однопроводной схеме (параметру Terminal Configuration присваивается значение RSE). Цифроаналоговый преобразователь работает с частотой дискретизации 100 000 выборок/с, что обеспечивает высокую точность преобразования.

Окно работающего виртуального инструмента показано на рис. 8.

Рисунок 8 - Окно работающего виртуального прибора.

Из этого рисунка видно, что при превышении амплитуды синусоиды над амплитудой несущей формируется положительный перепад напряжения, а при спаде напряжения управляющего сигнала ниже амплитуды несущей выходное напряжение ШИМ становится равным 0. В данном случае частота управляющего напряжения равна 100 Гц, а пиковое значение амплитуды равно 4,5 В .

Заключение.

Система LabVIEW включает широкий набор аппаратно-программных средств для цифрового синтеза сигналов. Средства цифрового синтеза сигналов, доступные в LabVIEW, можно успешно использовать для линейного инелинейного преобразования сигналов

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Информационный портал HELPFORENGINEER [Электронный ресурс]: http://h4e.ru/ (дата обращ. 19.05.15)

2. Магда Ю.С. LabVIEW: практический курс для инженеров и разработчиков. – М.: ДМК Пресс, 2012. – 208 с.