Generera PWM-signaler med variabel arbetscykel med FPGA

Denna artikel förklarar generering av pulsbreddsmodulation signaler med variabel arbetscykel på FPGA med VHDL. PWM har en fast frekvens och en variabel spänning. Den här artikeln diskuterar också Digital Clock Manager för att minska klockfrekvensen genom att minska klocksignalens skevhet. En fast frekvens används för att producera indata som producerar PWM-signalerna med hjälp av en komparator. Elektroniska företag designar hårdvaran som är dedikerad till sina produkter med sina standarder och protokoll vilket gör det utmanande för slutanvändarna att konfigurera om hårdvaran enligt deras behov. Detta krav på hårdvara ledde till tillväxten av ett nytt segment som kunde konfigureras fältprogrammerbara integrerade kretsar som kallas FPGA .

Pulsbreddsmodulering (PWM)

Pulsbreddsmodulering används ofta i applikationer för kommunikation och kontrollsystem . Pulsbreddsmodulering kan genereras med olika metoder i styrsystem. Här, i den här artikeln, genereras PWM med hjälp av Hardware Description Language (VHDL) och implementeras på FPGA. Implementering av PWM på FPGA kan bearbeta data snabbare och styrarkitekturen kan optimeras för utrymme eller hastighet.

PWM är en teknik för att tillhandahålla logisk '0' och logik '1' under en kontrollerad tidsperiod. Det är en signalkälla som involverar moduleringen av dess arbetscykel för att styra mängden kraft som skickas till lasten. I PWM hålls fyrkantsvågens tidsperiod och tiden för vilken signalen förblir HÖG varieras.

PWM genererar pulserna på sin utsignal på ett sådant sätt att medelvärdet för HIGHs och LOWs är proportionellt mot PWM-ingången. Signalens arbetscykel kan varieras. En PWM-signal är en fyrkantig våg med konstant period med varierande arbetscykel. Det vill säga frekvensen hos PWM-signalen är konstant, men signalperioden förblir hög och varierar som visat.

PWM-signal

VHDL

VHDL är ett språk som används för att beskriva beteendet hos digitala kretsdesigner . VHDL används av industrier och akademiker för simulering av digitala kretsar. Dess design kan simuleras och översättas i den form som är lämplig för implementering i hårdvara.

PWM-arkitektur

Att producera ingångsdata för att generera PWM med hjälp av en höghastighets N-bit fri räknare, vars utgång jämförs med registerutmatning och lagrar önskad ingångscykel med hjälp av komparatorn. Jämföraren utgången är inställd på 1 när båda dessa värden är lika. Denna komparatorutgång används för att ställa in RS-spärren. Överströmningssignalen från räknaren används för att återställa RS-spärren. De utgång från RS-spärren ger önskad PWM-utgång. Denna överflödssignal används också för att ladda ny N-bitars arbetscykel i registret. PWM har en fast frekvens och en variabel spänning. Detta spänningsvärde ändras från 0V till 5 V.

PWM-signal med variabel arbetscykel

Den grundläggande PWM genererar signalerna, som ger utmatningen av PWM, kräver en komparator som jämför mellan två värden. Det första värdet representerar den kvadratiska signalen som genereras av N-biträknaren och det andra värdet representerar den fyrkantiga signalen som innehåller informationen om arbetscykeln. Räknaren genererar belastningssignalen när det finns ett överflöde. När belastningssignalen väl är aktiv laddar registret det nya arbetscykelvärdet. Lastsignalen används för att återställa spärren också. Spärrutgången är en PWM-signal. Detta varierar med förändringen i arbetscykelvärdet.

Vad är FPGA?

FPGA är fältprogrammerbar grindmatris. Det är en typ av enhet som används i stor utsträckning i elektroniska kretsar. FPGA är halvledaranordningar som innehåller programmerbara logiska block och sammankopplingskretsar. Den kan programmeras eller omprogrammeras till önskad funktionalitet efter tillverkning.

FPGA

Grunderna i FPGA

När ett kretskort tillverkas och om det innehåller en FPGA som en del av det. Detta programmeras under tillverkningsprocessen och kan omprogrammeras senare för att skapa en uppdatering eller göra nödvändiga ändringar. Den här funktionen hos FPGA gör den unik från ASIC. Applikationsspecifika integrerade kretsar (ASIC) är specialtillverkade för specifika designuppgifter. Tidigare användes FPGA: er för att utveckla låg hastighet, komplexitet och volymdesign, men idag kommer FPGA lätt att trycka på prestandabarriären upp till 500 MHz.

I mikrokontroller är chipet utformat för en kund och de måste skriva programvaran och kompilera den till hex-fil för att laddas på mikrokontrollern. Denna programvara kan enkelt bytas ut eftersom den lagras i flashminnet. I FPGA finns det ingen processor som kör programvaran och det är vi som designar kretsen. Vi kan konfigurera en FPGA så enkel som en AND-grind eller en komplex som en flerkärnig processor. För att skapa en design skriver vi hårdvarubeskrivningsspråk (HDL), som är av två typer - Verilog och VHDL. Sedan syntetiseras HDL till en bitfil med hjälp av en BITGEN för att konfigurera FPGA. FPGA lagrar konfigurationen i RAM, det vill säga konfigurationen går förlorad när det inte finns någon strömanslutning. Därför måste de konfigureras varje gång strömmen tillförs.

Arkitektur av FPGA

FPGA är prefabricerade kiselchips som kan programmeras elektriskt för att implementera digital design. Det första statiska minnesbaserade FPGA kallat SRAM används för att konfigurera både logik och samtrafik med en ström av konfigurationsbitar. Dagens moderna EPGA innehåller cirka 3 30 000 logikblock och cirka 1100 in- och utgångar.

FPGA-arkitektur

Arkitekturen för FPGA består av tre huvudkomponenter

• Programmerbara logikblock som implementerar logiska funktioner
• Programmerbar routing (sammankopplingar), som implementerar funktioner
• I / O-block, som används för att göra anslutningar utanför chip

Tillämpningar av PWM-signaler

PWM-signaler används ofta för styrapplikationer. Som att styra likströmsmotorer, reglerventiler, pumpar, hydraulik etc. Här är några få tillämpningar av PWM-signalerna.

• Värmesystem med långsamma tider 10 till 100Hz eller högre.
• Likströmsmotorer 5 till 10 kHz
• Strömförsörjning eller ljudförstärkare 20 till 200 KHz.

Denna artikel handlar om generering av PWM-signaler med variabel arbetscykel med FPGA. Vidare kan du kontakta oss för att få hjälp med elektroniska projekt eller tvivel angående den här artikeln genom att kommentera kommentarsektionen nedan.