توليد إشارات PWM مع دورة التشغيل المتغيرة باستخدام FPGA

توليد إشارات PWM مع دورة التشغيل المتغيرة باستخدام FPGA

تشرح هذه المقالة ملفات توليد تعديل عرض النبضة إشارات بدورة عمل متغيرة على FPGA باستخدام VHDL. PWM له تردد ثابت وجهد متغير. تتناول هذه المقالة أيضًا Digital Clock Manager لتقليل تردد الساعة عن طريق تقليل انحراف إشارة الساعة. يتم استخدام تردد ثابت لإنتاج بيانات الإدخال التي تنتج إشارات PWM باستخدام أداة المقارنة. تقوم الشركات الإلكترونية بتصميم الأجهزة المخصصة لمنتجاتها وفقًا لمعاييرها وبروتوكولاتها مما يجعل من الصعب على المستخدمين النهائيين إعادة تكوين الأجهزة وفقًا لاحتياجاتهم. أدى هذا المطلب من الأجهزة إلى نمو شريحة جديدة من العملاء القابلة للتكوين الدوائر المتكاملة القابلة للبرمجة الميدانية تسمى FPGAs .



تعديل عرض النبض (PWM)

يستخدم تعديل عرض النبض على نطاق واسع في تطبيقات الاتصالات و أنظمة التحكم . يمكن إنشاء تعديل عرض النبضة باستخدام طرق مختلفة في أنظمة التحكم. هنا ، في هذه المقالة ، يتم إنشاء PWM باستخدام لغة وصف الأجهزة (VHDL) ويتم تنفيذها على FPGA. يمكن أن يؤدي تنفيذ PWM على FPGA إلى معالجة البيانات بشكل أسرع ويمكن تحسين بنية وحدة التحكم للمساحة أو السرعة.


PWM هي تقنية لتوفير المنطق '0' والمنطق '1' لفترة زمنية مضبوطة. إنه مصدر إشارة يتضمن تعديل دورة عمله للتحكم في كمية الطاقة المرسلة إلى الحمل. في PWM ، يتم الحفاظ على الفترة الزمنية للموجة المربعة ثابتة ويتغير الوقت الذي تظل فيه الإشارة عالية.





يولد PWM النبضات على مخرجاته بطريقة تتناسب مع متوسط ​​قيمة HIGHs و LOWs مع مدخلات PWM. يمكن أن تتنوع دورة عمل الإشارة. إشارة PWM هي موجة مربعة ذات فترة ثابتة بدورة عمل متغيرة. أي أن تردد إشارة PWM ثابت ، لكن الفترة الزمنية للإشارة تظل عالية وتختلف كما هو موضح.

إشارة PWM

إشارة PWM



VHDL

VHDL هي لغة تستخدم لوصف سلوك تصاميم الدوائر الرقمية . يتم استخدام VHDL من قبل الصناعات والأكاديميين لغرض محاكاة الدوائر الرقمية. يمكن محاكاة تصميمه وترجمته بالشكل المناسب للتنفيذ في الأجهزة.


هندسة PWM

لإنتاج بيانات الإدخال لإنشاء PWM باستخدام عداد تشغيل حر عالي السرعة N-bit ، تتم مقارنة مخرجاته بإخراج التسجيل وتخزين دورة عمل الإدخال المطلوبة بمساعدة المقارنة. المقارنة يتم تعيين الإخراج على 1 عندما تكون كلتا القيمتين متساويتين. يتم استخدام خرج المقارنة هذا لضبط مزلاج RS. تُستخدم إشارة الفائض من العداد لإعادة ضبط مزلاج RS. ال إخراج مزلاج RS يعطي ناتج PWM المطلوب. تُستخدم إشارة الفائض هذه أيضًا لتحميل دورة عمل N-bit جديدة في السجل. PWM له تردد ثابت وجهد متغير. تتغير قيمة الجهد هذا من 0 فولت إلى 5 فولت.

إشارة PWM مع دورة عمل متغيرة

إشارة PWM مع دورة عمل متغيرة

يولد PWM الأساسي الإشارات ، التي تعطي ناتج PWM ، ويتطلب مقارنًا يقارن بين قيمتين. تمثل القيمة الأولى الإشارة المربعة التي تم إنشاؤها بواسطة عداد N بت وتمثل القيمة الثانية الإشارة المربعة التي تحتوي على معلومات حول دورة العمل. يولد العداد إشارة الحمل عندما يكون هناك تجاوز. بمجرد تنشيط إشارة الحمل ، يقوم السجل بتحميل قيمة دورة العمل الجديدة. تُستخدم إشارة التحميل لإعادة ضبط المزلاج أيضًا. خرج المزلاج هو إشارة PWM. هذا يختلف مع التغيير في قيمة دورة العمل.

ما هو FPGA؟

FPGA عبارة عن مصفوفة بوابة قابلة للبرمجة ميدانيًا. إنه نوع من الأجهزة يستخدم على نطاق واسع في الدوائر الإلكترونية. FPGAs هي أجهزة أشباه الموصلات التي تحتوي على كتل منطقية قابلة للبرمجة ودوائر ربط. يمكن برمجته أو إعادة برمجته للوظيفة المطلوبة بعد التصنيع.

FPGA

FPGA

أساسيات FPGA

عندما يتم تصنيع لوحة الدائرة وإذا كانت تحتوي على FPGA كجزء منها. تتم برمجة هذا أثناء عملية التصنيع ويمكن إعادة برمجته لاحقًا لإنشاء تحديث أو إجراء التغييرات اللازمة. هذه الميزة لـ FPGA تجعلها فريدة من نوعها من ASIC. يتم تصنيع الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASIC) خصيصًا لمهمة تصميم محددة. في الماضي ، تم استخدام FPGAs لتطوير تصميم منخفض السرعة والتعقيد والحجم ، ولكن FPGA ستدفع بسهولة حاجز الأداء حتى 500 ميجا هرتز.

في المتحكمات الدقيقة ، تم تصميم الشريحة للعميل وعليهم كتابة البرنامج وتجميعه في ملف سداسي عشري لتحميله على وحدة التحكم الدقيقة. يمكن استبدال هذا البرنامج بسهولة حيث يتم تخزينه في ذاكرة فلاش. في FPGAs ، لا يوجد معالج لتشغيل البرنامج ونحن من نصمم الدائرة. يمكننا تكوين FPGA ببساطة مثل بوابة AND أو معقد مثل المعالج متعدد النواة. لإنشاء تصميم ، نكتب لغة وصف الأجهزة (HDL) ، والتي تتكون من نوعين - Verilog و VHDL. ثم يتم تصنيع HDL في ملف بت باستخدام BITGEN لتكوين FPGA. يقوم FPGA بتخزين التكوين في ذاكرة الوصول العشوائي ، أي يتم فقد التكوين عند عدم وجود اتصال طاقة. وبالتالي ، يجب تكوينها في كل مرة يتم فيها توفير الطاقة.

هندسة FPGA

FPGAs عبارة عن رقائق سيليكون مسبقة الصنع يمكن برمجتها كهربائيًا لتنفيذ التصميمات الرقمية. يتم استخدام أول FPGA قائم على الذاكرة الثابتة يسمى SRAM لتكوين كل من المنطق والتوصيل البيني باستخدام دفق بتات التكوين. تحتوي EPGA الحديثة اليوم على ما يقرب من 330000 كتلة منطقية وحوالي 1100 مدخلات ومخرجات.

هندسة FPGA

هندسة FPGA

تتكون بنية FPGA من ثلاثة مكونات رئيسية

  • الكتل المنطقية القابلة للبرمجة ، والتي تنفذ وظائف المنطق
  • التوجيه القابل للبرمجة (الوصلات البينية) ، والذي يقوم بتنفيذ الوظائف
  • كتل الإدخال / الإخراج ، والتي تُستخدم لإجراء اتصالات خارج الشريحة

تطبيقات إشارات PWM

تستخدم إشارات PWM على نطاق واسع لتطبيقات التحكم. مثل التحكم في محركات التيار المستمر ، وصمامات التحكم ، والمضخات ، والمكونات الهيدروليكية ، وما إلى ذلك ، فيما يلي بعض التطبيقات القليلة لإشارات PWM.

  • أنظمة التدفئة ذات الأوقات البطيئة من 10 إلى 100 هرتز أو أعلى.
  • محركات كهربائية DC من 5 إلى 10 كيلو هرتز
  • مزودات الطاقة أو مكبرات الصوت من 20 إلى 200 كيلو هرتز.

هذه المقالة هي كل شيء عن توليد إشارات PWM مع دورة عمل متغيرة باستخدام FPGA. علاوة على ذلك ، لأي مساعدة بشأن المشاريع الإلكترونية أو شكوك بخصوص هذه المقالة ، يمكنك الاتصال بنا من خلال التعليق على قسم التعليقات الوارد أدناه.