SPWM-generatormodule (zonder microcontroller te gebruiken): 14 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Hallo iedereen, welkom op mijn instructable! Ik hoop dat het jullie allemaal geweldig gaat. Onlangs raakte ik geïnteresseerd in het experimenteren met PWM-signalen en kwam ik het concept van SPWM (of sinusoïdale pulsbreedtemodulatie) tegen, waarbij de werkcyclus van een reeks pulsen wordt gemoduleerd door een sinusgolf. Ik kwam een paar resultaten tegen waarbij dergelijke SPWM-signalen eenvoudig kunnen worden gemaakt met behulp van een microcontroller waarbij de duty cycle wordt gegenereerd door een opzoektabel te gebruiken die de benodigde waarden bevat om de sinusgolf te implementeren.

Ik wilde zo'n SPWM-signaal genereren zonder microcontroller en daarom gebruikte ik operationele versterkers als het hart van het systeem.

Laten we beginnen!

Benodigdheden

1. LM324 Quad OpAmp IC
2. LM358 dubbele comparator IC
3. 14-pins IC-basis/socket
4. 10K weerstanden-2
5. 1K weerstanden-2
6. 4.7K weerstanden-2
7. 2.2K weerstanden-2
8. 2K variabele weerstand (preset)-2
9. 0.1uF keramische condensator-1
10. 0.01uF keramische condensator-1
11. 5-pins mannelijke kop
12. Veroboard of perfboard
13. Heet lijmpistool
14. Soldeerapparatuur

Stap 1: Theorie: Verklaring van signaalgeneratie voor SPWM

Om de SPWM-signalen te genereren zonder een microcontroller, hebben we twee driehoekige golven met verschillende frequenties nodig (maar bij voorkeur moet de ene het veelvoud van de andere zijn). Wanneer deze twee driehoekige golven met elkaar worden vergeleken met behulp van een comparator-IC zoals LM358, krijgen we ons vereiste SPWM-signaal. De comparator geeft een hoog signaal wanneer het signaal op de niet-inverterende aansluiting van de OpAmp groter is dan dat van het signaal op de inverterende aansluiting. Dus wanneer hoogfrequente driehoekige golf wordt toegevoerd aan de niet-inverterende pin en de laagfrequente driehoekige golf wordt toegevoerd in de inverterende pin van de comparator, krijgen we meerdere gevallen waarin het signaal op de niet-inverterende terminal meerdere keren van amplitude verandert voordat het signaal op de inverterende terminal. Dit zorgt voor een toestand waarin de OpAmp-uitgang een reeks pulsen is waarvan de werkcyclus wordt bepaald door hoe de twee golven op elkaar inwerken.

Stap 2: Schakelschema: uitleg en theorie

Dit is het schakelschema van het hele SPWM-project bestaande uit twee golfvormgeneratoren en een comparator.

Een driehoekige golf kan worden gecreëerd met behulp van 2 operationele versterkers en er zijn dus in totaal 4 OpApms nodig voor de twee golven. Voor dit doel heb ik het LM324 quad OpAmp-pakket gebruikt.

Laten we eens kijken hoe de driehoekige golven eigenlijk worden gegenereerd.

Aanvankelijk fungeert de eerste OpAmp als een integrator waarvan de niet-inverterende pin is verbonden met een potentiaal van (Vcc/2) of de helft van de voedingsspanning met behulp van een spanningsdelernetwerk van 2 10kiloOhm-weerstanden. Ik gebruik 5V als voeding, dus de niet-inverterende pin heeft een potentiaal van 2,5 volt. Een virtuele verbinding van de inverterende en niet-inverterende pin stelt ons ook in staat om het 2,5 V-potentiaal op de inverterende pin aan te nemen die de condensator langzaam oplaadt. Zodra de condensator is opgeladen tot 75 procent van de voedingsspanning, verandert de uitgang van de andere operationele versterker die is geconfigureerd als comparator van laag naar hoog. Dit begint op zijn beurt de condensator te ontladen (of de-integreert) en zodra de spanning over de condensator onder de 25 procent van de voedingsspanning komt, wordt de uitgang van de comparator weer laag getrokken, die de condensator opnieuw begint op te laden. Deze cyclus begint opnieuw en we hebben een driehoekige golftrein. De frequentie van de driehoekige golf wordt bepaald door de waarde van de gebruikte weerstanden en condensatoren. U kunt naar de afbeelding in deze stap verwijzen om de formule voor frequentieberekening te krijgen.

Oké, het theoriegedeelte is klaar. Laten we beginnen met bouwen!

Stap 3: Verzamel alle benodigde onderdelen

De afbeeldingen tonen alle onderdelen die nodig zijn om de SPWM-module te maken. Ik heb de IC's op de respectievelijke IC-base gemonteerd, zodat ze indien nodig gemakkelijk kunnen worden vervangen. U kunt ook een condensator van 0,01 uF toevoegen aan de uitgang van de driehoekige en SPWM-golven om signaalschommelingen te voorkomen en het SPWM-patroon stabiel te houden.

Ik heb het benodigde stuk veroboard uitgesneden om de onderdelen goed te laten passen.

Stap 4: Het testcircuit maken

Voordat we beginnen met het solderen van de onderdelen, moeten we ervoor zorgen dat ons circuit naar wens werkt en daarom is het essentieel dat we ons circuit op breadboard testen en indien nodig wijzigingen aanbrengen. De bovenstaande afbeelding toont het prototype van mijn circuit op breadboard.

Stap 5: Observeren van de uitgangssignalen

Om ervoor te zorgen dat onze uitgangsgolfvorm correct is, wordt het essentieel om een oscilloscoop te gebruiken om de gegevens te visualiseren. Omdat ik geen professionele DSO of enige vorm van oscilloscoop bezit, heb ik deze goedkope oscilloscoop - DSO138 van Banggood. Het werkt prima voor signaalanalyse van lage tot middelhoge frequenties. Voor onze toepassing zullen we driehoekige golven met frequenties 1KHz en 10KHz genereren die gemakkelijk kunnen worden gevisualiseerd op deze scope. Natuurlijk kun je veel betrouwbaardere informatie over signalen krijgen op een professionele oscilloscoop, maar voor een snelle analyse werkt dit model prima!

Stap 6: De driehoekige signalen observeren

De bovenstaande afbeeldingen tonen de twee driehoekige golven die worden gegenereerd door de twee signaalgeneratiecircuits.

Stap 7: Het SPWM-signaal observeren

Na het succesvol genereren en observeren van de driehoekige golven, kijken we nu naar de SPWM-golfvorm die wordt gegenereerd aan de uitgang van de comparator. Door de dasbasis van de scope dienovereenkomstig aan te passen, kunnen we de signalen goed analyseren.

Stap 8: Onderdelen op het perfboard solderen

Nu we ons circuit hebben uitgeprobeerd en getest, beginnen we eindelijk de componenten op het veroboard te solderen om het permanenter te maken. We solderen de IC-basis samen met de weerstanden, condensatoren en variabele weerstanden volgens het schema. Het is belangrijk dat de plaatsing van de componenten zodanig is dat we minimale draden hoeven te gebruiken en de meeste verbindingen kunnen worden gemaakt door soldeersporen.

Stap 9: Het soldeerproces voltooien

Na ongeveer 1 uur solderen was ik klaar met alle aansluitingen en zo ziet de module er uiteindelijk uit. Het is vrij klein en compact.

Stap 10: Hete lijm toevoegen om shorts te voorkomen

Om kortsluiting, kortsluiting of onbedoeld metaalcontact aan de soldeerzijde te minimaliseren, besloot ik het te beschermen met een laag hete lijm. Het houdt de verbindingen intact en geïsoleerd van onbedoeld contact. Men kan zelfs isolatietape gebruiken om hetzelfde te doen.

Stap 11: Pin-out van de module

De bovenstaande afbeelding toont de pinout van de module die ik heb gemaakt. Ik heb in totaal 5 mannelijke header-pinnen waarvan twee voor voeding (Vcc en Gnd), één pin is om de snelle driehoekige golf te observeren, de andere pin is om de langzame driehoekige golf te observeren en tot slot is de laatste pin de SPWM uitvoer. De driehoekige golfpinnen zijn belangrijk als we de frequentie van de golf willen verfijnen.

Stap 12: De frequentie van de signalen aanpassen

De potentiometers worden gebruikt om de frequentie van elk driehoekig golfsignaal fijn af te stemmen. Dit komt doordat niet alle componenten ideaal zijn en dus de theoretische en praktische waarde kunnen verschillen. Dit kan worden gecompenseerd door de presets aan te passen en dienovereenkomstig te kijken naar de output van de oscilloscoop.

Stap 13: Schematisch bestand

Ik heb de schematische lay-out voor dit project bijgevoegd. Voel je vrij om het aan te passen aan je behoeften.

Ik hoop dat je deze tutorial leuk vindt.

Deel uw feedback, suggesties en vragen in de onderstaande opmerkingen.

Tot de volgende keer:)