Denne artikel forklarer generering af pulsbreddemodulation signaler med variabel driftscyklus på FPGA ved hjælp af VHDL. PWM har en fast frekvens og en variabel spænding. Denne artikel diskuterer også Digital Clock Manager til nedsættelse af urfrekvensen ved at mindske uretsignalets skævhed. En fast frekvens bruges til at producere de inddata, der producerer PWM-signalerne ved hjælp af en komparator. Elektroniske virksomheder designer hardware dedikeret til deres produkter med deres standarder og protokoller, hvilket gør det udfordrende for slutbrugerne at omkonfigurere hardwaren efter deres behov. Dette krav til hardware førte til væksten i et nyt segment af kundekonfigurerbar feltprogrammerbare integrerede kredsløb kaldet FPGA'er .
Pulsbreddemodulation (PWM)
Pulsbreddemodulation er meget brugt i applikationer til kommunikation og kontrolsystemer . Pulsbreddemodulation kan genereres ved hjælp af forskellige tilgange i kontrolsystemer. Her, i denne artikel, genereres PWM ved hjælp af Hardware Description Language (VHDL) og implementeres på FPGA. Implementering af PWM på FPGA kan behandle data hurtigere, og controller arkitektur kan optimeres til plads eller hastighed.
PWM er en teknik til at give logik '0' og logik '1' i en kontrolleret periode. Det er en signalkilde, der involverer modulering af dens driftscyklus for at kontrollere den mængde strøm, der sendes til belastningen. I PWM holdes firkantbølgens tidsperiode konstant, og den tid, for hvilken signalet forbliver HØJ, varieres.
PWM genererer impulser på dets output på en sådan måde, at gennemsnitsværdien af HIGHs og LOWs er proportional med PWM-input. Driftscyklussen for signalet kan varieres. Et PWM-signal er en firkantbølge med konstant periode med varierende driftscyklus. Det vil sige, frekvensen af PWM-signalet er konstant, men signalperioden forbliver høj og varierer som vist.
PWM-signal
VHDL
VHDL er et sprog, der bruges til at beskrive adfærd hos design af digitale kredsløb . VHDL bruges af industrier og akademikere med det formål at simulere digitale kredsløb. Dens design kan simuleres og oversættes i den form, der er egnet til implementering i hardware.
PWM-arkitektur
At producere indgangsdataene til generering af PWM ved hjælp af en højhastigheds N-bit fri kørselstæller, hvis output sammenlignes med registeroutput og gemmer den ønskede input-duty cycle ved hjælp af komparator. Komparatoren output er sat til 1, når begge disse værdier er ens. Denne komparatorudgang bruges til at indstille RS-låsen. Overløbssignalet fra tælleren bruges til at nulstille RS-låsen. Det output af RS-låsen giver det ønskede PWM-output. Dette overløbssignal bruges også til at indlæse ny N-bit-driftscyklus i registret. PWM har en fast frekvens og en variabel spænding. Denne spændingsværdi ændres fra 0V til 5 V.
PWM-signal med variabel driftscyklus
Den grundlæggende PWM genererer signalerne, som giver output af PWM, kræver en komparator, der sammenligner mellem to værdier. Den første værdi repræsenterer det firkantede signal, der genereres af N-bit-tælleren, og den anden værdi repræsenterer det firkantede signal, der indeholder informationen om driftscyklus. Tælleren genererer belastningssignalet, når der er et overløb. Når belastningssignalet bliver aktivt, indlæser registeret den nye driftscyklusværdi. Belastningssignalet bruges også til at nulstille låsen. Latchoutput er et PWM-signal. Dette varierer med ændringen i driftscyklusværdi.
Hvad er FPGA?
FPGA er en feltprogrammerbar portarray. Det er en type enhed, der er meget brugt i elektroniske kredsløb. FPGA'er er halvlederindretninger som indeholder programmerbare logiske blokke og sammenkoblingskredsløb. Det kan programmeres eller omprogrammeres til den krævede funktionalitet efter fremstillingen.
FPGA
Grundlæggende om FPGA
Når et printkort er fremstillet, og hvis det indeholder en FPGA som en del af det. Dette er programmeret under fremstillingsprocessen og kan yderligere omprogrammeres senere for at oprette en opdatering eller foretage de nødvendige ændringer. Denne funktion af FPGA gør den unik fra ASIC. Applikationsspecifikke integrerede kredsløb (ASIC) fremstilles specielt til specifik designopgave. Tidligere blev FPGA'er brugt til at udvikle design med lav hastighed, kompleksitet og volumen, men i dag vil FPGA let skubbe performance-barrieren op til 500 MHz.
I mikrokontrollere er chippen designet til en kunde, og de skal skrive softwaren og kompilere den til hex-fil for at indlæse på mikrocontrolleren. Denne software kan let udskiftes, da den er gemt i flashhukommelsen. I FPGA'er er der ingen processor, der kører softwaren, og det er vi, der designer kredsløbet. Vi kan konfigurere en FPGA så enkel som en AND-gate eller en kompleks som en multi-core processor. For at skabe et design skriver vi Hardware Description Language (HDL), som er af to typer - Verilog og VHDL. Derefter syntetiseres HDL til en bitfil ved hjælp af en BITGEN til at konfigurere FPGA. FPGA gemmer konfigurationen i RAM, dvs. konfigurationen går tabt, når der ikke er nogen strømforbindelse. Derfor skal de konfigureres hver gang der tilføres strøm.
Arkitektur af FPGA
FPGA'er er præfabrikerede siliciumchips, der kan programmeres elektrisk til implementering af digitalt design. Den første statiske hukommelsesbaserede FPGA kaldet SRAM bruges til at konfigurere både logik og samtrafik ved hjælp af en strøm af konfigurationsbits. Dagens moderne EPGA indeholder cirka 3.30.000 logiske blokke og omkring 1.100 ind- og udgange.
FPGA-arkitektur
Arkitekturen i FPGA består af tre hovedkomponenter
- Programmerbare logiske blokke, som implementerer logiske funktioner
- Programmerbar routing (samtrafik), som implementerer funktioner
- I / O-blokke, der bruges til at oprette forbindelser uden for chip
Anvendelser af PWM-signaler
PWM-signaler bruges i vid udstrækning til kontrolapplikationer. Ligesom styring af jævnstrømsmotorer, kontrolventiler, pumper, hydraulik osv. Her er de få anvendelser af PWM-signaler.
- Varmesystemer med langsomme tider 10 til 100Hz eller højere.
- DC-elektriske motorer 5 til 10 KHz
- Strømforsyninger eller lydforstærkere 20 til 200 KHz.
Denne artikel handler om generering af PWM-signaler med variabel driftscyklus ved hjælp af FPGA. Desuden kan du kontakte os ved hjælp af kommentarer til kommentarsektionen nedenfor, hvis du har hjælp til elektroniske projekter eller tvivl om denne artikel.
