Modulo generatore SPWM (senza utilizzare il microcontrollore): 14 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Ciao a tutti, benvenuti nel mio istruibile! Spero che stiate tutti alla grande. Di recente, mi sono interessato a sperimentare con i segnali PWM e mi sono imbattuto nel concetto di SPWM (o Modulazione di larghezza di impulso sinusoidale) in cui il ciclo di lavoro di un treno di impulsi viene modulato da un'onda sinusoidale. Mi sono imbattuto in alcuni risultati in cui questo tipo di segnali SPWM può essere facilmente creato utilizzando un microcontrollore in cui viene generato il ciclo di lavoro utilizzando una tabella di ricerca che contiene i valori necessari per implementare l'onda sinusoidale.

Volevo generare tale segnale SPWM senza microcontrollore e quindi ho usato gli amplificatori operazionali come cuore del sistema.

Iniziamo!

Forniture

1. CI amplificatore operazionale quadruplo LM324
2. LM358 doppio comparatore IC
3. Base/presa IC a 14 pin
4. Resistori da 10K-2
5. Resistori da 1K-2
6. Resistori 4.7K-2
7. Resistori 2.2K-2
8. Resistenza variabile 2K (preimpostata) -2
9. Condensatore ceramico 0.1uF-1
10. 0,01uF condensatore ceramico-1
11. Intestazione maschio a 5 pin
12. Veroboard o perfboard
13. Pistola per colla a caldo
14. Attrezzature per saldatura

Fase 1: Teoria: spiegazione della generazione del segnale per SPWM

Per generare i segnali SPWM senza microcontrollore, abbiamo bisogno di due onde triangolari di frequenze diverse (ma preferibilmente una dovrebbe essere il multiplo dell'altra). Quando queste due onde triangolari vengono confrontate tra loro utilizzando un IC comparatore come LM358, otteniamo il segnale SPWM richiesto. Il comparatore fornisce un segnale alto quando il segnale al terminale non invertente dell'OpAmp è maggiore di quello del segnale al terminale invertente. Quindi quando l'onda triangolare ad alta frequenza viene alimentata al pin non invertente e l'onda triangolare a bassa frequenza viene alimentata nel pin invertente del comparatore, otteniamo più casi in cui il segnale al terminale non invertente cambia ampiezza diverse volte prima del segnale al terminale invertente. Ciò consente una condizione in cui l'uscita OpAmp è un treno di impulsi il cui ciclo di lavoro è governato da come interagiscono le due onde.

Fase 2: Schema del circuito: spiegazione e teoria

Questo è lo schema circuitale dell'intero progetto SPWM costituito da due generatori di forme d'onda e un comparatore.

Un'onda triangolare può essere creata utilizzando 2 amplificatori operazionali e quindi saranno necessari un totale di 4 OpApm per le due onde. A questo scopo ho utilizzato il pacchetto LM324 quad OpAmp.

Vediamo come vengono effettivamente generate le onde triangolari.

Inizialmente il primo OpAmp funge da integratore il cui pin non invertente è legato ad un potenziale di (Vcc/2) o metà della tensione di alimentazione utilizzando una rete divisore di tensione di 2 resistori da 10KiloOhm. Sto usando 5V come alimentazione, quindi il pin non invertente ha un potenziale di 2,5 volt. Una connessione virtuale del pin invertente e non invertente ci consente anche di assumere il potenziale di 2,5 V al pin invertente che carica lentamente il condensatore. Non appena il condensatore viene caricato al 75% della tensione di alimentazione, l'uscita dell'altro amplificatore operazionale configurato come comparatore cambia da basso ad alto. Questo a sua volta inizia a scaricare il condensatore (o si disintegra) e non appena la tensione ai capi del condensatore scende al di sotto del 25 percento della tensione di alimentazione, l'uscita del comparatore viene nuovamente abbassata, il che ricomincia a caricare il condensatore. Questo ciclo ricomincia e abbiamo un treno d'onde triangolare. La frequenza dell'onda triangolare è determinata dal valore dei resistori e dei condensatori utilizzati. Puoi fare riferimento all'immagine in questo passaggio per ottenere la formula per il calcolo della frequenza.

Ok, quindi la parte teorica è finita. Cominciamo a costruire!

Passaggio 3: raccogliere tutte le parti necessarie

Le immagini mostrano tutte le parti necessarie per realizzare il modulo SPWM. Ho montato gli IC sulla rispettiva base IC in modo che possano essere facilmente sostituiti se necessario. Puoi anche aggiungere un condensatore da 0,01 uF all'uscita delle onde triangolari e SPWM per evitare qualsiasi fluttuazione del segnale e mantenere stabile il modello SPWM.

Ho ritagliato il pezzo di veroboard necessario per adattare correttamente i componenti.

Passaggio 4: creazione del circuito di prova

Ora, prima di iniziare a saldare le parti, è necessario assicurarsi che il nostro circuito funzioni come desiderato e quindi è essenziale testare il nostro circuito su breadboard e apportare modifiche se necessario. L'immagine sopra mostra il prototipo del mio circuito su breadboard.

Passaggio 5: osservazione dei segnali di uscita

Per assicurarci che la nostra forma d'onda in uscita sia corretta diventa essenziale utilizzare un oscilloscopio per visualizzare i dati. Dal momento che non possiedo un DSO professionale o alcun tipo di oscilloscopio, mi sono procurato questo oscilloscopio economico - DSO138 di Banggood. Funziona bene per l'analisi del segnale a bassa e media frequenza. Per la nostra applicazione genereremo onde triangolari di frequenze 1KHz e 10KHz che possono essere facilmente visualizzate su questo telescopio. Ovviamente puoi ottenere informazioni molto più affidabili sui segnali su un oscilloscopio professionale, ma per un'analisi rapida, questo modello funziona perfettamente!

Passaggio 6: osservazione dei segnali triangolari

Le immagini sopra mostrano le due onde triangolari generate dai due circuiti di generazione del segnale.

Passaggio 7: osservazione del segnale SPWM

Dopo aver generato e osservato con successo le onde triangolari, diamo ora uno sguardo alla forma d'onda SPWM generata all'uscita del comparatore. La regolazione della base di collegamento dell'oscilloscopio di conseguenza ci consente di analizzare correttamente i segnali.

Passaggio 8: saldatura delle parti sulla Perfboard

Ora che abbiamo provato e testato il nostro circuito, iniziamo finalmente a saldare i componenti sulla veroboard per renderla più permanente. Saldiamo la base del circuito integrato insieme ai resistori, ai condensatori e ai resistori variabili secondo lo schema. È importante che il posizionamento dei componenti sia tale da dover utilizzare cavi minimi e la maggior parte delle connessioni può essere effettuata tramite tracce di saldatura.

Passaggio 9: completamento del processo di saldatura

Dopo circa 1 ora di saldatura ero completo di tutte le connessioni ed ecco come si presenta finalmente il modulo. È abbastanza piccolo e compatto.

Passaggio 10: aggiunta di colla a caldo per prevenire i cortocircuiti

Al fine di ridurre al minimo eventuali cortocircuiti eventuali cortocircuiti o contatti metallici accidentali sul lato saldature ho deciso di proteggerlo con uno strato di colla a caldo. Mantiene le connessioni intatte e isolate da contatti accidentali. Si può anche usare il nastro isolante per fare lo stesso.

Passaggio 11: pin-out del modulo

L'immagine sopra mostra il pinout del modulo che ho realizzato. Ho un totale di 5 pin di testata maschio di cui due per l'alimentazione (Vcc e Gnd), un pin è per osservare l'onda triangolare veloce, l'altro pin è per osservare l'onda triangolare lenta e infine l'ultimo pin è l'SPWM produzione. I pin dell'onda triangolare sono importanti se vogliamo mettere a punto la frequenza dell'onda.

Passaggio 12: regolazione della frequenza dei segnali

I potenziometri vengono utilizzati per regolare con precisione la frequenza di ciascun segnale d'onda triangolare. Ciò è dovuto al fatto che non tutti i componenti sono ideali e quindi il valore teorico e pratico può differire. Questo può essere compensato regolando i preset e osservando di conseguenza l'uscita dell'oscilloscopio.

Passaggio 13: file schematico

Ho allegato il layout schematico di questo progetto. Sentiti libero di modificarlo in base alle tue esigenze.

Spero che questo tutorial ti piaccia.

Per favore condividi i tuoi feedback, suggerimenti e domande nei commenti qui sotto.

Fino alla prossima volta:)