Широтно-імпульсна модуляція.

Мета: набути навичок розрахунку, складання і аналізу роботи генераторів та детекторів сигналів з широтно-імпульсною модуляцією.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

 

Сигнали з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) знаходять популярність в цифрових колах, в яких імпульсні сигнали є основними. Широтно-імпульсна модуляція відрізняється простотою як модулятора, так і демодулятора. В ряді випадків, коли переважає прагнення простоти, знаходиться рішення, подібне до ШІМ.

Наприклад, регулятори потужності, що базуються на перериванні сигналу і використанні лише певної його частини, за своєю суттю, працюють з широтно-імпульсною модуляцією. Простота подібних регуляторів очевидна – переривати сигнал, частіше за все, не складно. Демодулятор, як окремий пристрій, взагалі не потрібний – за рахунок інертності споживача (двигуна, пічки, тощо) окремі імпульси усереднюються, створюючи у підсумку регульовану потужність.

Виділення в окремий вид модуляції та формалізацію ШІМ набула з розвитком швидкісних операційних підсилювачів і цифрової техніки.

В сигналах з ШІМ інформативність закладається у тривалість та/або частоту слідування імпульсів. Досить часто частота слідування імпульсів є величиною незмінною і визначає несучу частоту. Тривалість імпульсу протягом періоду несучого сигналу і є інформативною ознакою. Якщо тривалість імпульсів висока, вони передають інформацію про сигнал з більшою потужністю, короткі імпульси несуть значно меншу енергію.

Класичним способом широтно-імпульсної модуляції сигналу є порівняння інформативного сигналу з періодичним, лінійно-змінним сигналом (ЛЗС). Протягом часу, коли інформативний сигнал перевищує ЛЗС, формується імпульс. Решту часу – пауза.

В якості ЛЗС можна використовувати періодичний сигнал довільної форми, що складається з лінійних ділянок. Це може бути як Λ – подібний сигнал, так і сигнал „пилкоподібної” форми. Принципової різниці для формування модульованого сигналу це не становить.

Генерування ЛЗС було розглянуто у попередніх роботах. Проте, для економії часу та додаткового знайомства з можливостями Electronics Workbench використаємо вбудований функціональний генератор з вкладки інструментів.

Схематичне позначення та основні настройки функціонального генератора наведені на рис. 16.1. Верхній ряд кнопок перемикає форму сигналу, що генерується. Зарисовка форми сигналу на кнопках не вимагає додаткового роз’яснення. Передбачено три можливості роботи: гармонічний сигнал, ЛЗС та імпульсний сигнал.

Частота генерованого сигналу задається у полі Frequency, відносна тривалість імпульсу або співвідношення зростання та спадання (для ЛЗС) – у полі Duty cycle, амплітуда сигналу – у полі Amplitude. Поле Offset задає початкове зміщення сигналу відносно форми, зазначеній на кнопці селекції.

Найпростіший спосіб порівнювати два сигнали надає операційний підсилювач (ОП). За принципом своєї роботи ОП значно підсилює різницю сигналів, що подані на два його входи, і, по-суті, має два стабільні стани, що відповідають переважанню одного сигналу над іншим.

За логікою модуляції імпульс має формуватись коли інформативний сигнал переважає несучий. Значить інформативний сигнал має подаватись на неінвертувальний вхід ОП (рис. 16.2), позначений як „+”, тоді як ЛЗС несучої частоти подаватиметься на інвертувальний вхід „-”. На виході ОП спостерігатиметься послідовність імпульсів, що передаватиме інформацію про переважання інформативного сигналу над несучим.

Демодуляція імпульсів ґрунтується на використанні інертного елементу, який буде виконувати роль усереднення імпульсного сигналу. Як вже не раз відзначалось, усереднення (інтегрування) сигналу виконує фільтр низьких частот (ФНЧ). Отже, ФНЧ є найпростішим детектором сигналу з широтно-імпульсною модуляцією.

На рис. 16.3 наведена схема формування та детектування сигналу з широтно-імпульсною модуляцією та настройки функціонального генератора. Як видно, генератор включений в режим ЛЗС з частотою 100 Гц. 50 % заповнення відповідає Λ – подібному сигналу, зазначеному на селекторній кнопці. Амплітуда встановлена на рівні 10 В.

Інформативний сигнал генерується звичайним генератором гармонічного сигналу з частотою 15 Гц і діючим значенням 5 В.

В якості детектора використаний фільтр низьких частот, що складається з резистора, опором 1 кОм, та конденсатора, ємністю 50 мкФ.

Осцилограф підключений одним каналом до виходу операційного підсилювача, де має спостерігатись ШІМ сигнал, іншим каналом – до виходу фільтру, де має спостерігатись відновлений сигнал.

На рис. 16.4 наведена осцилограма роботи модулятора – демодулятора, зібраного за схемою рис. 16.3.

Зміщений вниз сигнал відповідає виходу модулятора і, власне, є сигналом з широтно-імпульсною модуляцією. Як видно з рисунка, сигнал складається з послідовності імпульсів різної тривалості. При уважному спостереженні можна помітити, що імпульси з’являються періодично, через рівні проміжки часу, що визначаються частотою несучого сигналу.

Відновлений сигнал має дуже спотворену форму, проте, відповідає гармонічному сигналу. Для вимірювання частот вимірювальні лінійки поставлені у точки, що відповідають спільній періодичності модульованого та відновленого сигналу.

Проміжок часу між лінійками становить 200 мс. В цьому проміжку вкладається 3 періоди відновленого сигналу і 20 імпульсів модульованого. Відповідно, частота відновленого сигналу становить 3/0,200 = 15 Гц, модульованого – 20/0,200 = 100 Гц. Виміряні значення повністю відповідають закладеним у роботу кола (див. рис. 16.3).

Низька якість відновленого сигналу додатково засвідчує необхідність якомога більшого розділення частот несучого та інформативного сигналів. У колі, що розглядається, ці частоти є відносно близькими – 15 та 100 Гц. Тобто один період інформативного сигналу передається, приблизно, шістьма імпульсами. Очевидно, що якісно відновити період гармонічного сигналу по шістьом відлікам неможливо. Принаймні методом простого усереднення за допомогою фільтра низьких частот. (Можливість якісного відновлення з’являється з використанням цифрової обробки сигналу)

На рис. 16.5 наведена осцилограма роботи модулятора – демодулятора, зібраного за схемою рис. 16.3, проте з частотою лінійно-змінного сигналу, збільшеною у 10 разів до величини 1 кГц. Модульований сигнал перетворюється на послідовність щільніших у 10 разів імпульсів і у наведеному масштабі майже не розрізняється.

 

Співвідношення частот несучого та інформативного сигналу збільшилось також у 10 разів і один період інформативного сигналу вже передається за допомогою понад 60 імпульсів.

Зрозуміло, що 60 відліків дозволять значно краще відновити інформативний сигнал, що, власне, і спостерігається за осцилограмою відновленого сигналу.

 

Зауважимо, що не завжди є необхідність відтворювати інформативний сигнал з високою якістю. В прикладі, наведеному на початку роботи, для регулювання потужності цілком достатньо якості сигналу з рис. 16.4. Все одно, інертні споживачі потужності використають лише інтегральне значення сигналу і не будуть реагувати на відносно швидкісні його зміни.

Також можна додати обмеження, зазначені у попередніх роботах, пов’язані з обмеженнями приймальних пристроїв і споживачів. Широтно-імпульсна модуляція може використовуватись для передачі звукової інформації лазерним променем. Оптичні модулятори дозволяють досить легко переривати лазерні промені. В більшості сучасних фотоапаратів використовується електронний затвор. В той час як плавна модуляція, на зразок амплітудної, вимагає модуляторів значно більшої якості, а частотна модуляція майже неможлива.

Але для передавання звуку цілком достатньо обмежень, накладених діапазоном чутності людського вуха – 20 кГц. Причому для передавання голосових команд з єдиною вимогою їх розбірливості, зазначена межа може бути значно зменшеною.

ЗАВДАННЯ

1. Зібрати схему модулятора – демодулятора з параметрами, вказаними на рис. 16.3. Встановити відповідні режими роботи функціонального генератора. Переконатись, що осцилограма роботи відповідає наведеній на рис. 16.4. За необхідності виправити помилки.

 

2. Задати довільним чином параметри інформаційного сигналу – частоту та діючу напругу.

 

3. Провести розрахунки та підбір параметрів функціонального генератора та фільтра – демодулятора для передачі сигналу з параметрами, заданими у п. 2.

 

4. Встановити розраховані значення елементів електричного кола. Досягнути стійкої роботи модулятора – демодулятора. Зарисувати осцилограму його роботи із зазначенням параметрів осцилографа. Визначити частоту відновленого сигналу та кількість імпульсів (N) ШІМ сигналу, що припадає на один період інформативного. Порівняти N з відношенням частот.

 

5. Повторити пп. 2-4 кілька разів. Результати звести в табл. 16.1.

 

Таблиця 16.1

Параметри ШІМ

 

№	Задані параметри інф. сигналу	Параметри модулятора	Параметри демодулятора	Відновлений сигнал
f інф, Гц	U, В	f ЛЗС, Гц	U ампл, В	R, Ом	C, мкФ	fвідн, Гц	N імп/пер
								6,7

 

 

6. У звіті навести всі схеми, розрахунки, зведену таблицю 16.1. У висновках зазначити ступінь відповідності закладених параметрів роботи модулятора – демодулятора та параметрів, що спостерігаються.