펄스 폭 변조 회로 원리
펄스 폭 변조의 기본 원리인 펄스 폭 변조 (PWM) 는 마이크로프로세서의 디지털 출력을 사용하여 아날로그 회로를 제어하는 매우 효과적인 기술로, 측정과 통신에서 전력 제어 및 변환에 이르는 여러 분야에 널리 사용됩니다. 아날로그 회로의 아날로그 신호 값은 시간 및 진폭의 해상도에 관계없이 연속적으로 변경될 수 있습니다. 9V 배터리는 출력 전압이 9V 와 정확히 같지 않고 시간이 지남에 따라 실제 값을 취할 수 있기 때문에 아날로그 장치입니다. 마찬가지로 배터리에서 흡수되는 전류는 가능한 값 세트로 제한되지 않습니다. 아날로그 신호와 디지털 신호의 차이점은 후자의 값이 일반적으로 {0v,5v} 와 같이 미리 결정된 가능한 값 세트에만 속할 수 있다는 것입니다. 아날로그 전압과 전류는 자동차 라디오의 볼륨 조절과 같은 제어에 직접 사용할 수 있습니다. 간단한 아날로그 라디오에서 볼륨 손잡이는 가변 저항과 연결되어 있다. 손잡이를 돌리면 저항이 커지거나 작아집니다. 이 저항을 통과하는 전류도 증가하거나 감소하여 구동 스피커의 전류 값을 변경하여 그에 따라 볼륨이 증가하거나 감소합니다. 라디오처럼 아날로그 회로의 출력은 입력에 비례하여 비례한다. 시뮬레이션 제어가 직관적이고 간단해 보이지만 항상 경제적이거나 실현 가능한 것은 아닙니다. 그 중 하나는 아날로그 회로가 시간에 따라 쉽게 표류하기 때문에 조정하기가 어렵다는 것이다. 이 문제를 해결할 수 있는 정밀 아날로그 회로는 매우 크고 육중하며 (예: 구식 홈 스테레오 장비) 비용이 많이 들 수 있습니다. 아날로그 회로도 작업 구성요소의 양단 전압과 전류의 곱에 비례하는 전력으로 심하게 발열될 수 있습니다. 아날로그 회로도 소음에 민감할 수 있으며, 어떤 교란이나 소음도 반드시 전류 값을 바꿀 수 있다. 디지털 제어는 디지털 제어 아날로그 회로를 통해 시스템 비용과 전력 소비량을 크게 줄일 수 있습니다. 또한 많은 마이크로컨트롤러와 DSP 에는 이미 칩에 PWM 컨트롤러가 포함되어 있어 디지털 제어를 쉽게 수행할 수 있습니다. 간단히 말해서, PWM 은 아날로그 신호 평평을 디지털 인코딩하는 방법입니다. 고해상도 카운터를 사용하면 구형파의 듀티 비율이 변조되어 특정 아날로그 신호의 수평을 인코딩합니다. PWM 신호는 지정된 시점에 전체 진폭 DC 전원이 완전히 켜지거나 완전히 꺼지기 때문에 여전히 숫자입니다. 전압 또는 전류 소스는 켜거나 끄는 반복 펄스 시퀀스로 아날로그 부하에 적용됩니다. 전원이 켜지면 DC 전원이 부하에 추가되고 전원이 꺼지면 전원이 꺼집니다. 대역폭이 충분하면 모든 아날로그 값을 PWM 으로 인코딩할 수 있습니다. 그림 1 은 세 가지 다른 PWM 신호를 보여줍니다. 그림 1a 는 10% 를 차지하는 PWM 출력입니다. 즉, 신호 주기 동안 10% 의 시간은 켜져 있고 나머지 90% 의 시간은 꺼져 있습니다. 그림 1b 와 그림 1c 는 각각 50% 와 90% 의 PWM 출력을 나타냅니다. 이 세 가지 PWM 출력 인코딩은 강도가 각각 전체 범위의 10%, 50%, 90% 인 세 가지 아날로그 신호 값을 인코딩합니다. 예를 들어, 전원 공급 장치가 9V 이고 점유 비율이 10% 인 경우 진폭 0.9V 의 아날로그 신호에 해당하며 그림 2 는 PWM 을 통해 구동할 수 있는 간단한 회로입니다. 9V 배터리는 백열 전구에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 배터리와 전구를 연결하는 스위치가 50ms 닫히면 이 기간 동안 전구는 9V 로 전원이 공급됩니다. 다음 50 밀리 초 이내에 스위치를 끄면 전구의 전원은 0V 가 됩니다. 이 과정이 1 초 내에 10 회 반복되면 전구는 4.5V 의 배터리처럼 밝아집니다 (9V 의 50%). 이 경우 점유 비율은 50%, 변조 주파수는 10Hz 입니다. 대부분의 부하는 감성적이든 수용성이든 변조 주파수가 10Hz 보다 높아야 합니다. 만약 전구가 5 초 동안 켜져 있다가 5 초 동안 껐다가 다시 켜고 꺼진다고 상상해 보세요. (존 F. 케네디, 전구, 전구, 전구, 전구, 전구, 전구, 전구, 전구) 듀티 비율은 여전히 50% 이지만 전구는 처음 5 초 동안 켜지고 다음 5 초 동안 꺼집니다. 4.5V 전압의 전원 공급 효과를 얻으려면 스위치 상태 변화에 대한 부하의 응답 시간이 충분히 짧아야 합니다. 조명을 어둡게 하는 효과를 얻으려면 변조 빈도를 높여야 합니다. 다른 PWM 응용 프로그램에서도 동일한 요구 사항이 적용됩니다. 보통 변조 주파수는 1kHz 에서 200kHz 사이입니다. 하드웨어 컨트롤러 많은 마이크로 컨트롤러에는 PWM 컨트롤러가 포함되어 있습니다. 예를 들어 마이크로칩 회사의 PIC 16C67 에는 각각 통과 시간과 주기를 선택할 수 있는 PWM 컨트롤러가 두 개 포함되어 있습니다. 듀티 사이클 비율은 전도 시간과 사이클의 비율입니다. 변조 빈도는 주기의 역수이다. 이 마이크로프로세서는 PWM 작업을 수행하기 전에 소프트웨어에서 다음 작업을 수행해야 합니다. * 변조 구형파를 제공하는 칩 내 타이머/카운터의 주기 설정 * PWM 제어 레지스터에서 전도 시간 설정 * PWM 출력 방향 설정, 범용 I/O 핀 * 시동 타이머 * 를 통해 PWM 컨트롤러를 사용할 수 있습니다. 특정 PWM 컨트롤러는 프로그래밍 세부 사항에 따라 다르지만 기본 아이디어는 일반적으로 동일합니다. 통신 및 제어 PWM 의 장점 중 하나는 프로세서에서 관리 대상 시스템으로의 신호가 디지털 형식이며 디지털 아날로그 변환이 필요하지 않다는 것입니다. 신호를 디지털 형식으로 유지하면 소음의 영향을 최소화할 수 있습니다. 소음이 논리 1 을 논리 0 으로 또는 논리 0 을 논리 1 으로 만들기에 충분한 경우에만 디지털 신호에 영향을 줄 수 있습니다. 잡음 방지 기능 향상은 아날로그 제어보다 PWM 의 또 다른 장점이며, 이는 PWM 이 특정 시점에 통신에 사용되는 주된 이유입니다. 아날로그 신호에서 PWM 으로 전환하면 통신 거리가 크게 늘어날 수 있습니다. 수신단에서는 변조된 고주파 구형파를 필터링하고 적절한 RC 또는 LC 네트워크를 통해 아날로그 형식으로 신호를 복원할 수 있습니다. PWM 은 많은 시스템에서 널리 사용됩니다. 구체적인 예로, PWM 에 의해 제어되는 브레이크를 점검해 봅시다. 간단히 말해서, 브레이크는 물건을 꽉 조이는 장치이다. 많은 브레이크는 아날로그 입력 신호를 사용하여 클램핑 압력 (또는 제동력) 을 제어합니다. 브레이크에 가해지는 전압이나 전류가 클수록 브레이크에서 발생하는 압력이 커집니다. PWM 컨트롤러의 출력을 전원과 브레이크 사이의 스위치에 연결할 수 있습니다. 더 큰 제동력을 만들려면 소프트웨어를 통해 PWM 출력의 비중을 늘리기만 하면 된다. 특정 제동 압력을 생성하려면 측정을 통해 점유 비율과 압력의 수학적 관계를 결정해야 합니다 (결과 공식 또는 조회 테이블이 변환되면 온도, 표면 마모 등을 제어하는 데 사용할 수 있음). 예를 들어 브레이크의 압력이 100psi 로 설정된 경우 소프트웨어는 역검색을 수행하여 해당 압력을 생성하는 점유율을 결정합니다. 그런 다음 PWM 듀티 비율을 이 새 값으로 설정하면 브레이크가 그에 따라 반응할 수 있습니다. 시스템에 센서가 있는 경우 필요한 압력이 정확하게 발생할 때까지 폐쇄 루프 컨트롤을 통해 듀티 사이클을 조정할 수 있습니다. 결론적으로, PWM 경제, 공간 절약, 소음 방지 성능이 강하다. 많은 디자인 응용 프로그램에서, 이것은 엔지니어들이 채택할 만한 효과적인 기술이다.
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