Что такое широтно-импульсная модуляция
Nov 16, 2023 
В этой статье рассказывается, что такое ШИМ, широтно-импульсная модуляция, ее теория, применение и многое другое.
Что такое ШИМ? ШИМ также называют широтно-импульсной модуляцией. ШИМ (широтно-импульсная модуляция) работает путем управления аналоговыми цепями через цифровой выход микропроцессора, что является очень эффективной технологией, широко используемой в измерениях, связи, управлении питанием и преобразовании во многих областях.
Теория широтно-импульсной модуляции
С развитием электронных технологий появились различные технологии ШИМ, в том числе: ШИМ управления фазным напряжением, метод широтно-импульсной ШИМ, случайный ШИМ, метод ШИМ, ШИМ управления линейным напряжением и т. д., а также интеллектуальный никель-водородный аккумулятор. В зарядном устройстве используется метод ширины импульса ШИМ, при котором каждая серия импульсов имеет ту же ширину, что и форма сигнала ШИМ. А FM можно реализовать, изменяя период последовательности импульсов, изменяя ширину импульса или рабочий цикл, можно регулировать напряжение. Координацию напряжения и частоты можно реализовать с помощью соответствующего метода управления. Регулируя период ШИМ и рабочий цикл ШИМ, можно достичь зарядного тока.
Аналоговое напряжение и ток можно напрямую использовать для управления, например, для регулировки громкости автомобильного радио. В простом аналоговом радио ручка подключена к переменному резистору. По мере поворота ручки значение сопротивления становится больше или меньше; ток, протекающий через резистор, также будет увеличиваться или уменьшаться, изменяя тем самым ток, который приводит в действие динамики, так что громкость соответственно становится больше или меньше. Как и в радио, выход и вход аналоговой схемы пропорциональны.
Хотя аналоговое управление может показаться интуитивно понятным и простым, оно не всегда экономично и осуществимо. Во-первых, аналоговые схемы имеют тенденцию смещаться со временем, что затрудняет настройку. Прецизионные аналоговые схемы, которые могут решить эту проблему, иногда бывают очень большими, тяжелыми (например, старое домашнее стереооборудование) и дорогими. Аналоговая схема также может быть очень чувствительна к шуму: любой шум или помехи обязательно изменят величину текущего значения.
Аналоговые схемы с цифровым управлением могут значительно снизить стоимость системы и энергопотребление. Кроме того, многие микроконтроллеры и DSP содержат встроенные ШИМ-контроллеры, что упрощает реализацию цифрового управления.
Преимущества ШИМ
Одним из преимуществ широтно-импульсной модуляции является то, что все сигналы ШИМ, поступающие от процессора в управляемую систему, имеют цифровую форму, и нет необходимости в цифро-аналоговом преобразовании, что значительно повышает эффективность преобразователей частоты. Сохранение сигнала в цифровой форме позволяет минимизировать влияние шума. Только когда шум достаточно силен, чтобы изменить логическую 1 на логический 0 или изменить логический 0 на логическую 1, он может оказать влияние на цифровой сигнал.
Еще одним преимуществом ШИМ по сравнению с аналоговым управлением является повышенная помехоустойчивость, и это основная причина, по которой иногда ШИМ используется для связи. Переход с аналогового сигнала на ШИМ может значительно увеличить расстояние связи. На приемной стороне модулирующая высокочастотная прямоугольная волна может быть удалена через соответствующую RC- или LC-цепь, и сигнал может быть возвращен в аналоговую форму. Благодаря этим преимуществам теории широтно-импульсной модуляции технология ШИМ широко применяется в инверторах.
Короче говоря, широтно-импульсная модуляция ШИМ является экономичной, компактной и антишумной, а это означает, что применение широтно-импульсной модуляции целесообразно во многих инженерных проектах. Если вы хотите узнать больше о применении, теории и другой информации о широтно-импульсной модуляции, свяжитесь с нами.
Пожалуйста, свяжитесь с нами по адресу [email protected], если у вас есть какие-либо предложения на этой странице.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ или PWM) в Arduino
Для вывода данных с Arduino традиционно применяется двоичная система с применением логических значений 0 и 1. С этой задачей превосходно справляется управление портами вывода, имеющееся у большинства микроконтроллеров от производителей микросхем. Но не всегда схемотехнику необходимо значение нуля или единицы.
Возможно ли получить промежуточное значение с помощью Arduino?
С помощью широтно-импульсной модуляции, реализованной на некоторых портах микросхемы, это возможно. Так, Arduino Uno поддерживает ШИМ на следующих своих портах: 3,5,6, 9, 10 и 11.
С помощью PWM (ШИМ) позволяет создать сигнал, который имеет определенное напряжение и продолжительность. В зависимости от временного промежутка между импульсами на выходе выдается нужное значение, так называемый параметр скважности импульса. Если верить Википедии, скважность – это один из классификационных признаков импульсных систем, определяющий отношение его периода следования (повторения) к длительности импульса.
Микроконтроллер Arduino поддерживает восьмибитную ШИМ, что позволяет выбрать переменную в широком диапазоне значений от 0 до 256.
В качестве примера использования ШИМ можно использовать плавное включение и выключение светодиода, подключенному к 3 пину. При этом постепенно подается напряжение от 0 до 5В. Как видно на картинке ниже, при разном значении переменной мы получаем разное напряжение для светодиода: 5V, 2.5V, 1,25V, 3.75V.
Так же с помощью пьезоизлучателя и ШИМ можно воспроизводить звуки неплохого качества.
Что такое ШИМ? Как широтно-импульсная модуляция используется в автоматизации?
Широтно-импульсная модуляция, или PWM (pulse-width modulation) — это тип цифрового сигнала, который модулируется для управления мощностью, скоростью и/или положением устройств в автоматизированной системе. PWM работает путем создания серии импульсов включения и выключения, которые подаются на устройство, при этом время включения или рабочий цикл импульса определяет количество подаваемой мощности.
Для чего используется?
Широтно-импульсная модуляция может быть использована для множества различных применений, включая управление двигателями, регулировку яркости освещения и даже управление источниками питания. Сигнал, промодулированный по ширине импульса, также может применяться для регулирования скорости двигателей или других устройств без изменения уровня напряжения. Таким образом, ШИМ становится идеальным вариантом для управления широким спектром устройств в системах автоматизации.
Принцип работы
Принцип работы ШИМ-сигнала заключается в посылке регулярных импульсов через определенные интервалы времени с изменяющимся рабочим циклом (процентное соотношение времени «включения»). В зависимости от рабочего цикла на управляемое устройство подается больше или меньше энергии, что влияет на его скорость или положение в автоматизированной системе. Путем увеличения или уменьшения определенных параметров, таких как частота, амплитуда и длительность импульсов, эти параметры могут быть настроены в соответствии с любыми требованиями приложения и обеспечивают точный контроль над выходом устройства без изменения уровня напряжения. Широтно-импульсная модуляция является важным и широко используемым методом управления выходной мощностью в различных приложениях. Она может быть реализована с помощью цифровых или аналоговых систем управления. В цифровом варианте сигналы генерируются с помощью программных алгоритмов, которые определяют ширину импульсов; в то время как в аналоговом PWM сигналы генерируются аппаратными компонентами, такими как транзисторы и конденсаторы, которые создают желаемую ширину импульсов без необходимости программирования. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки, но при правильной реализации оба обеспечивают надежную работу с низким уровнем искажений.
Как работает ШИМ-контроллер в источнике питания?
ШИМ-контроллер работает путем переключения между различными уровнями электрического тока в зависимости от того, какой тип выхода требуется от системы, которую он питает — постоянный ток (DC) или переменный ток (AC). Контроллер регулирует это переключение с помощью широтно-импульсной модуляции, которая посылает регулярные импульсы через определенные промежутки времени с различными рабочими циклами (процентное время «включения»). Таким образом, различные уровни энергии могут подаваться к любому устройству, нуждающемуся в ней, сохраняя при этом стабильность системы в целом — т. е. без электрических скачков, которые могут повредить компоненты в дальнейшем.
Применение широтно-импульсной модуляции
Широтно-импульсная модуляция имеет множество вариаций по практическому использованию в различных отраслях промышленности, таких как авиация, автомобилестроение, робототехника и т. д. Некоторые возможности применения ШИМ-сигнала: управление скоростью и положением двигателя, регулирование яркости света, регулирование напряжения переменного и постоянного тока, обеспечение регулируемых профилей ускорения и замедления для двигателей, снижение электромагнитных помех, обеспечение точной передачи сигналов на большие расстояния и т. д.. Данный вид модуляции является бесценным инструментом, когда речь идет о системах автоматизации, требующих точного контроля над своими выходами без ущерба для стабильности в целом.
Применение широтно-импульсной модуляции в автоматизации
В системах автоматизации широтно-импульсная модуляция имеет множество преимуществ благодаря своей способности точно регулировать выходные параметры, не оказывая слишком сильного влияния на уровень напряжения. Управляющие ШИМ-сигналы широко используется во многих типах машин, включая роботизированные манипуляторы и роботизированные транспортные средства, а также бытовую технику, такую как стиральные машины, духовые шкафы и т. д.. Широтно-импульсная модуляция часто используется для получения синусоидальной формы волны. Она также может быть использована для регулирования работы инвертора. Помимо автоматической регулировки скорости и положения двигателя с помощью цифровых сигналов, они также обеспечивают регулируемые профили ускорения и замедления, что делает их идеальными при работе с хрупкими компонентами, где необходимо избегать резких изменений. Среди других преимуществ — снижение электромагнитных помех, повышение эффективности, усиление мер безопасности благодаря надежным методам обнаружения неисправностей, большая точность при передаче сигналов на большие расстояния и многое другое. В заключение следует отметить, что широтно-импульсная модуляция — это метод контроля и регулирования количества энергии, подаваемой на устройство, путем изменения ширины электрического импульса. Данный метод применяется в автоматизации и робототехнике, от управления двигателями до обеспечения точного контроля над системами освещения. PWM способен обеспечить точное регулирование при минимальных потерях энергии по сравнению с традиционными методами. В каталоге UnitMC вы найдете актуальные устройства и системы АСУ ТП. Подробную информацию и консультацию можно получить у наших сотрудников. Другие статьи Четыре устройства, использующие ШИМ для автоматизации
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!