Generieren von PWM-Signalen mit variablem Arbeitszyklus mithilfe von FPGA

Dieser Artikel erklärt die Erzeugung einer Pulsweitenmodulation Signale mit variablem Arbeitszyklus auf FPGA unter Verwendung von VHDL. PWM hat eine feste Frequenz und eine variable Spannung. In diesem Artikel wird auch der Digital Clock Manager zum Verringern der Taktfrequenz durch Verringern des Versatzes des Taktsignals erläutert. Eine feste Frequenz wird verwendet, um die Eingangsdaten, die die PWM-Signale erzeugen, unter Verwendung eines Komparators zu erzeugen. Elektronikunternehmen entwerfen die für ihre Produkte bestimmte Hardware mit ihren Standards und Protokollen, was es für Endbenutzer schwierig macht, die Hardware gemäß ihren Anforderungen neu zu konfigurieren. Dieser Bedarf an Hardware führte zum Wachstum eines neuen Segments von Kunden, die konfigurierbar sind Feldprogrammierbare integrierte Schaltkreise, sogenannte FPGAs .

Pulsweitenmodulation (PWM)

Die Pulsweitenmodulation wird häufig in Kommunikationsanwendungen und verwendet Kontroll systeme . Die Pulsweitenmodulation kann unter Verwendung verschiedener Ansätze in Steuerungssystemen erzeugt werden. In diesem Artikel wird PWM mithilfe der Hardware Description Language (VHDL) generiert und auf einem FPGA implementiert. Durch die Implementierung von PWM auf FPGA können die Daten schneller verarbeitet und die Controller-Architektur für Platz oder Geschwindigkeit optimiert werden.

PWM ist eine Technik, um für einen kontrollierten Zeitraum logische „0“ und logische „1“ bereitzustellen. Es ist eine Signalquelle, die die Modulation ihres Arbeitszyklus beinhaltet, um die an die Last gesendete Leistungsmenge zu steuern. In PWM wird die Zeitdauer der Rechteckwelle konstant gehalten und die Zeit, für die das Signal HOCH bleibt, wird variiert.

Die PWM erzeugt die Impulse an ihrem Ausgang so, dass der Durchschnittswert von HIGHs und LOWs proportional zum PWM-Eingang ist. Das Tastverhältnis des Signals kann variiert werden. Ein PWM-Signal ist eine Rechteckwelle mit konstanter Periode und variierendem Arbeitszyklus. Das heißt, die Frequenz des PWM-Signals ist konstant, aber die Zeitdauer des Signals bleibt hoch und variiert wie gezeigt.

PWM-Signal

VHDL

VHDL ist eine Sprache, mit der das Verhalten von beschrieben wird digitale Schaltungsentwürfe . VHDL wird von Industrie und Wissenschaft zur Simulation digitaler Schaltkreise verwendet. Sein Design kann in der Form simuliert und übersetzt werden, die für die Implementierung in Hardware geeignet ist.

PWM-Architektur

Erzeugen der Eingangsdaten zum Erzeugen der PWM unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-N-Bit-Freilaufzählers, dessen Ausgang mit dem Registerausgang verglichen wird und der den gewünschten Eingangsbetriebszyklus mit Hilfe eines Komparators speichert. Der Komparator Die Ausgabe wird auf 1 gesetzt, wenn beide Werte gleich sind. Dieser Komparatorausgang wird zum Einstellen des RS-Latch verwendet. Das Überlaufsignal vom Zähler wird zum Zurücksetzen des RS-Latch verwendet. Das Ausgabe des RS-Latch gibt den gewünschten PWM-Ausgang an. Dieses Überlaufsignal wird auch verwendet, um ein neues N-Bit-Tastverhältnis in das Register zu laden. PWM hat eine feste Frequenz und eine variable Spannung. Dieser Spannungswert ändert sich von 0 V auf 5 V.

PWM-Signal mit variablem Arbeitszyklus

Die Basis-PWM erzeugt die Signale, die die Ausgabe der PWM liefern, und erfordert einen Komparator, der zwischen zwei Werten vergleicht. Der erste Wert repräsentiert das vom N-Bit-Zähler erzeugte Rechtecksignal und der zweite Wert repräsentiert das Rechtecksignal, das die Informationen über das Tastverhältnis enthält. Der Zähler erzeugt bei jedem Überlauf das Lastsignal. Sobald das Lastsignal aktiv wird, lädt das Register den neuen Arbeitszykluswert. Das Lastsignal wird auch zum Zurücksetzen des Latch verwendet. Der Latch-Ausgang ist ein PWM-Signal. Dies ändert sich mit der Änderung des Arbeitszykluswerts.

Was ist FPGA?

Das FPGA ist ein Field Programmable Gate Array. Es ist eine Art von Gerät, das in elektronischen Schaltungen weit verbreitet ist. FPGAs sind Halbleiterbauelemente die programmierbare Logikblöcke und Verbindungsschaltungen enthalten. Es kann nach der Herstellung auf die erforderliche Funktionalität programmiert oder neu programmiert werden.

FPGA

Grundlagen des FPGA

Wenn eine Leiterplatte hergestellt wird und ein FPGA als Teil davon enthält. Dies wird während des Herstellungsprozesses programmiert und kann später weiter programmiert werden, um ein Update zu erstellen oder notwendige Änderungen vorzunehmen. Diese Funktion von FPGA macht es einzigartig von ASIC. Anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC) werden speziell für bestimmte Entwurfsaufgaben hergestellt. Früher wurden FPGAs verwendet, um ein Design mit niedriger Geschwindigkeit, Komplexität und Lautstärke zu entwickeln. Heute wird FPGA die Leistungsbarriere problemlos auf 500 MHz erhöhen.

Bei Mikrocontrollern ist der Chip für einen Kunden konzipiert, der die Software schreiben und in eine Hex-Datei kompilieren muss, um sie auf den Mikrocontroller zu laden. Diese Software kann einfach ausgetauscht werden, da sie im Flash-Speicher gespeichert ist. In FPGAs gibt es keinen Prozessor, auf dem die Software ausgeführt werden kann, und wir sind derjenige, der die Schaltung entwirft. Wir können ein FPGA so einfach wie ein UND-Gatter oder einen Komplex wie einen Mehrkernprozessor konfigurieren. Um ein Design zu erstellen, schreiben wir Hardware Description Language (HDL), zwei Arten - Verilog und VHDL. Anschließend wird die HDL mithilfe eines BITGEN zu einer Bitdatei synthetisiert, um das FPGA zu konfigurieren. Das FPGA speichert die Konfiguration im RAM, dh die Konfiguration geht verloren, wenn keine Stromverbindung besteht. Daher müssen sie bei jeder Stromversorgung konfiguriert werden.

Architektur des FPGA

FPGAs sind vorgefertigte Siliziumchips, die elektrisch programmiert werden können, um digitale Designs zu implementieren. Das erste statische speicherbasierte FPGA namens SRAM wird zum Konfigurieren von Logik und Verbindung unter Verwendung eines Stroms von Konfigurationsbits verwendet. Das heutige moderne EPGA enthält ungefähr 3.30.000 Logikblöcke und ungefähr 1.100 Ein- und Ausgänge.

FPGA-Architektur

Die Architektur des FPGA besteht aus drei Hauptkomponenten

• Programmierbare Logikblöcke, die Logikfunktionen implementieren
• Programmierbares Routing (Interconnects), das Funktionen implementiert
• E / A-Blöcke, mit denen Off-Chip-Verbindungen hergestellt werden

Anwendungen von PWM-Signalen

PWM-Signale werden häufig für Steuerungsanwendungen verwendet. Wie die Steuerung von Gleichstrommotoren, Steuerventilen, Pumpen, Hydraulik usw. Hier sind die wenigen Anwendungen der PWM-Signale.

• Heizsysteme mit langsamen Zeiten von 10 bis 100 Hz oder höher.
• Gleichstrommotoren 5 bis 10 kHz
• Netzteile oder Audioverstärker 20 bis 200 KHz.

Dieser Artikel dreht sich alles um die Erzeugung von PWM-Signalen mit variablem Arbeitszyklus unter Verwendung von FPGA. Wenn Sie Hilfe zu elektronischen Projekten oder Zweifel zu diesem Artikel benötigen, können Sie uns kontaktieren, indem Sie den unten angegebenen Kommentarbereich kommentieren.