Génération de signaux PWM avec un cycle de service variable à l'aide de FPGA

Cet article explique le génération de modulation de largeur d'impulsion signaux à cycle de service variable sur FPGA utilisant VHDL. PWM a une fréquence fixe et une tension variable. Cet article décrit également le Digital Clock Manager pour réduire la fréquence d'horloge en diminuant l'inclinaison du signal d'horloge. Une fréquence fixe est utilisée pour produire les données d'entrée qui produisent les signaux PWM à l'aide d'un comparateur. Les entreprises électroniques conçoivent le matériel dédié à leurs produits avec leurs normes et protocoles, ce qui rend difficile pour les utilisateurs finaux de reconfigurer le matériel en fonction de leurs besoins. Cette exigence de matériel a conduit à la croissance d'un nouveau segment de clients configurables circuits intégrés programmables sur site appelés FPGA .

Modulation de largeur d'impulsion (PWM)

La modulation de largeur d'impulsion est largement utilisée dans les applications de communication et systèmes de contrôle . La modulation de largeur d'impulsion peut être générée en utilisant différentes approches dans les systèmes de commande. Ici, dans cet article, PWM est généré à l'aide du langage de description matériel (VHDL) et implémenté sur FPGA. La mise en œuvre de PWM sur FPGA peut traiter les données plus rapidement et l'architecture du contrôleur peut être optimisée pour l'espace ou la vitesse.

PWM est une technique permettant de fournir un «0» logique et un «1» logique pendant une période de temps contrôlée. C'est une source de signal qui implique la modulation de son cycle de service pour contrôler la quantité d'énergie envoyée à la charge. En PWM, la période de temps de l'onde carrée est maintenue constante et le temps pendant lequel le signal reste HAUT est varié.

Le PWM génère les impulsions sur sa sortie de telle manière que la valeur moyenne des HIGH et LOWs soit proportionnelle à l'entrée PWM. Le cycle de service du signal peut être modifié. Un signal PWM est une onde carrée à période constante avec un cycle de service variable. C'est-à-dire que la fréquence du signal PWM est constante, mais la période de temps du signal reste élevée et varie comme indiqué.

Signal PWM

VHDL

VHDL est un langage utilisé pour décrire le comportement de conceptions de circuits numériques . Le VHDL est utilisé par les industries et les universitaires à des fins de simulation de circuits numériques. Sa conception peut être simulée et traduite sous une forme adaptée à une implémentation matérielle.

Architecture PWM

Produire les données d'entrée pour générer le PWM en utilisant un compteur à fonctionnement libre à N bits à grande vitesse, dont la sortie est comparée à la sortie du registre et stocke le cycle de service d'entrée souhaité à l'aide d'un comparateur. Le comparateur la sortie est définie sur 1 lorsque ces deux valeurs sont égales. Cette sortie de comparateur est utilisée pour régler le verrouillage RS. Le signal de dépassement du compteur est utilisé pour réinitialiser le verrou RS. Le sortie du verrou RS donne la sortie PWM souhaitée. Ce signal de débordement est également utilisé pour charger un nouveau cycle de service de N bits dans le registre. PWM a une fréquence fixe et une tension variable. Cette valeur de tension passe de 0 V à 5 V.

Signal PWM avec cycle de service variable

Le PWM de base génère les signaux, ce qui donne la sortie de PWM, nécessite un comparateur qui compare entre deux valeurs. La première valeur représente le signal carré généré par le compteur à N bits et la seconde valeur représente le signal carré qui contient les informations sur le rapport cyclique. Le compteur génère le signal de charge chaque fois qu'il y a un débordement. Une fois que le signal de charge devient actif, le registre charge la nouvelle valeur de rapport cyclique. Le signal de charge est également utilisé pour réinitialiser le verrou. La sortie de verrouillage est un signal PWM. Cela varie avec le changement de la valeur du cycle de service.

Qu'est-ce que FPGA?

Le FPGA est un réseau de portes programmable sur site. C'est un type d'appareil largement utilisé dans les circuits électroniques. Les FPGA sont dispositifs à semi-conducteurs qui contiennent des blocs logiques programmables et des circuits d'interconnexion. Il peut être programmé ou reprogrammé à la fonctionnalité requise après la fabrication.

FPGA

Bases de FPGA

Quand une carte de circuit imprimé est fabriquée et si elle contient un FPGA en tant que partie de celle-ci. Ceci est programmé pendant le processus de fabrication et peut en outre être reprogrammé plus tard pour créer une mise à jour ou apporter les modifications nécessaires. Cette fonctionnalité de FPGA le rend unique par rapport à ASIC. Les circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC) sont fabriqués sur mesure pour une tâche de conception spécifique. Dans le passé, les FPGA étaient utilisés pour développer une conception à faible vitesse, complexité et volume, mais aujourd'hui, le FPGA repoussera facilement la barrière des performances jusqu'à 500 MHz.

Dans les microcontrôleurs, la puce est conçue pour un client et ils doivent écrire le logiciel et le compiler dans un fichier hexadécimal à charger sur le microcontrôleur. Ce logiciel peut être facilement remplacé car il est stocké dans la mémoire flash. Dans les FPGA, il n'y a pas de processeur pour exécuter le logiciel et c'est nous qui concevons le circuit. Nous pouvons configurer un FPGA aussi simple qu'une porte ET ou un complexe comme un processeur multicœur. Pour créer une conception, nous écrivons le langage de description du matériel (HDL), qui est de deux types - Verilog et VHDL. Ensuite, le HDL est synthétisé dans un fichier bit à l'aide d'un BITGEN pour configurer le FPGA. Le FPGA stocke la configuration dans la RAM, c'est-à-dire que la configuration est perdue lorsqu'il n'y a pas de connectivité électrique. Par conséquent, ils doivent être configurés chaque fois que l'alimentation est fournie.

Architecture du FPGA

Les FPGA sont des puces de silicium préfabriquées qui peuvent être programmées électriquement pour mettre en œuvre des conceptions numériques. Le premier FPGA basé sur une mémoire statique appelée SRAM est utilisé pour configurer à la fois la logique et l'interconnexion à l'aide d'un flux de bits de configuration. L'EPGA moderne d'aujourd'hui contient environ 3 30 000 blocs logiques et environ 1 100 entrées et sorties.

Architecture FPGA

L'architecture du FPGA se compose de trois composants principaux

• Blocs logiques programmables, qui implémentent des fonctions logiques
• Routage programmable (interconnexions), qui implémente des fonctions
• Blocs d'E / S, qui sont utilisés pour établir des connexions hors puce

Applications des signaux PWM

Les signaux PWM sont largement utilisés pour les applications de contrôle. Comme le contrôle des moteurs à courant continu, des vannes de commande, des pompes, de l'hydraulique, etc. Voici les quelques applications des signaux PWM.

• Systèmes de chauffage avec des temps de ralentissement de 10 à 100 Hz ou plus.
• Moteurs électriques CC 5 à 10 KHz
• Alimentations ou amplificateurs audio 20 à 200 KHz.

Cet article traite de la génération de signaux PWM avec cycle de service variable utilisant FPGA. De plus, pour toute aide sur des projets électroniques ou des doutes concernant cet article, vous pouvez nous contacter en commentant la section commentaire ci-dessous.