Gerando sinais PWM com ciclo de trabalho variável usando FPGA

Gerando sinais PWM com ciclo de trabalho variável usando FPGA

Este artigo explica o geração de modulação de largura de pulso sinais com ciclo de trabalho variável em FPGA usando VHDL. PWM tem uma frequência fixa e uma tensão variável. Este artigo também discute o Digital Clock Manager para diminuir a freqüência do relógio, diminuindo a inclinação do sinal do relógio. Uma frequência fixa é usada para produzir os dados de entrada que produzem os sinais PWM usando um comparador. As empresas eletrônicas projetam o hardware dedicado aos seus produtos com seus padrões e protocolos, o que torna um desafio para os usuários finais reconfigurar o hardware de acordo com suas necessidades. Este requisito de hardware levou ao crescimento de um novo segmento de configurações configuráveis ​​pelo cliente circuitos integrados programáveis ​​em campo chamados FPGAs .



Modulação por largura de pulso (PWM)

A modulação por largura de pulso é amplamente utilizada em aplicações de comunicação e sistemas de controle . A modulação por largura de pulso pode ser gerada usando diferentes abordagens em sistemas de controle. Aqui, neste artigo, o PWM é gerado usando Hardware Description Language (VHDL) e implementado em FPGA. A implementação de PWM em FPGA pode processar os dados mais rapidamente e a arquitetura do controlador pode ser otimizada para espaço ou velocidade.


PWM é uma técnica para fornecer '0' lógico e '1' lógico por um período de tempo controlado. É uma fonte de sinal que envolve a modulação de seu ciclo de trabalho para controlar a quantidade de potência enviada para a carga. No PWM, o período de tempo da onda quadrada é mantido constante e o tempo durante o qual o sinal permanece ALTO é variado.





O PWM gera os pulsos em sua saída de forma que o valor médio de HIGHs e LOWs seja proporcional à entrada do PWM. O ciclo de trabalho do sinal pode ser variado. Um sinal PWM é uma onda quadrada de período constante com ciclo de trabalho variável. Ou seja, a frequência do sinal PWM é constante, mas o período de tempo do sinal permanece alto e varia conforme mostrado.

Sinal PWM

Sinal PWM



VHDL

VHDL é uma linguagem usada para descrever o comportamento de projetos de circuito digital . O VHDL é utilizado por indústrias e acadêmicos para fins de simulação de circuitos digitais. Seu design pode ser simulado e traduzido na forma adequada para implementação em hardware.


Arquitetura PWM

Para produzir os dados de entrada para gerar o PWM usando um contador de N bits de alta velocidade, cuja saída é comparada com a saída do registro e armazena o ciclo de trabalho de entrada desejado com a ajuda do comparador. O comparador a saída é definida como 1 quando ambos os valores são iguais. Esta saída do comparador é usada para definir a trava RS. O sinal de estouro do contador é usado para reiniciar a trava RS. O saída da trava RS fornece a saída PWM desejada. Este sinal de estouro também é usado para carregar um novo ciclo de trabalho de N bits no Registro. PWM tem uma frequência fixa e uma tensão variável. Este valor de tensão muda de 0 V a 5 V.

Sinal PWM com ciclo de trabalho variável

Sinal PWM com ciclo de trabalho variável

O PWM básico gera os sinais, o que dá a saída do PWM, requer um comparador que compara entre dois valores. O primeiro valor representa o sinal quadrado gerado pelo contador de N bits e o segundo valor representa o sinal quadrado que contém a informação sobre o ciclo de serviço. O contador gera o sinal de carga sempre que houver um estouro. Assim que o sinal de carga se torna ativo, o registro carrega o novo valor do ciclo de serviço. O sinal de carga também é usado para reinicializar a trava. A saída Latch é um sinal PWM. Isso varia com a mudança no valor do ciclo de trabalho.

O que é FPGA?

O FPGA é um array de portas programáveis ​​em campo. É um tipo de dispositivo amplamente utilizado em circuitos eletrônicos. FPGAs são dispositivos semicondutores que contêm blocos lógicos programáveis ​​e circuitos de interconexão. Ele pode ser programado ou reprogramado para a funcionalidade necessária após a fabricação.

FPGA

FPGA

Noções básicas de FPGA

Quando uma placa de circuito é fabricada e se contém um FPGA como parte dela. Isso é programado durante o processo de fabricação e pode ser reprogramado posteriormente para criar uma atualização ou fazer as alterações necessárias. Este recurso do FPGA o torna único em relação ao ASIC. Os Circuitos Integrados Específicos de Aplicação (ASIC) são fabricados sob medida para tarefas específicas de projeto. No passado, os FPGAs eram usados ​​para desenvolver projetos de baixa velocidade, complexidade e volume, mas hoje os FPGAs irão facilmente empurrar a barreira de desempenho para 500 MHz.

Em microcontroladores, o chip é projetado para um cliente e ele precisa escrever o software e compilá-lo em um arquivo hexadecimal para carregar no microcontrolador. Este software pode ser facilmente substituído, pois é armazenado na memória flash. Em FPGAs, não há processador para executar o software e somos nós que projetamos o circuito. Podemos configurar um FPGA tão simples como uma porta AND ou um complexo como um processador multi-core. Para criar um design, escrevemos Hardware Description Language (HDL), que é de dois tipos - Verilog e VHDL. Em seguida, o HDL é sintetizado em um arquivo de bits usando um BITGEN para configurar o FPGA. O FPGA armazena a configuração na RAM, ou seja, a configuração é perdida quando não há conectividade de energia. Portanto, eles devem ser configurados toda vez que a energia é fornecida.

Arquitetura de FPGA

FPGAs são chips de silício pré-fabricados que podem ser programados eletricamente para implementar projetos digitais. O primeiro FPGA baseado em memória estática chamado SRAM é usado para configurar a lógica e a interconexão usando um fluxo de bits de configuração. O EPGA moderno de hoje contém aproximadamente 3,30.000 blocos lógicos e cerca de 1.100 entradas e saídas.

Arquitetura FPGA

Arquitetura FPGA

A arquitetura do FPGA consiste em três componentes principais

  • Blocos lógicos programáveis, que implementam funções lógicas
  • Roteamento programável (interconexões), que implementa funções
  • Blocos de E / S, que são usados ​​para fazer conexões fora do chip

Aplicações de sinais PWM

Os sinais PWM são amplamente usados ​​para aplicações de controle. Como controlar motores DC, válvulas de controle, bombas, sistema hidráulico, etc. Aqui estão algumas aplicações dos sinais PWM.

  • Sistemas de aquecimento com tempos lentos de 10 a 100 Hz ou superior.
  • Motores elétricos DC 5 a 10KHz
  • Fontes de alimentação ou amplificadores de áudio de 20 a 200 KHz.

Este artigo é sobre o geração de sinais PWM com ciclo de trabalho variável usando FPGA. Além disso, para qualquer ajuda em projetos eletrônicos ou dúvidas sobre este artigo, você pode entrar em contato conosco comentando a seção de comentários abaixo.