Generación de señales PWM con ciclo de trabajo variable usando FPGA

Generación de señales PWM con ciclo de trabajo variable usando FPGA

Este artículo explica el generación de modulación de ancho de pulso señales con ciclo de trabajo variable en FPGA usando VHDL. PWM tiene una frecuencia fija y un voltaje variable. Este artículo también analiza el Administrador de reloj digital para disminuir la frecuencia del reloj al disminuir el sesgo de la señal del reloj. Se usa una frecuencia fija para producir los datos de entrada que producen las señales PWM usando un comparador. Las empresas electrónicas diseñan el hardware dedicado a sus productos con sus estándares y protocolos, lo que dificulta a los usuarios finales reconfigurar el hardware según sus necesidades. Este requisito de hardware llevó al crecimiento de un nuevo segmento de configuraciones configurables por el cliente. Circuitos integrados programables en campo llamados FPGA .

Modulación de ancho de pulso (PWM)

La modulación de ancho de pulso se usa ampliamente en aplicaciones de comunicación y sistemas de control . La modulación de ancho de pulso se puede generar utilizando diferentes enfoques en los sistemas de control. Aquí, en este artículo, PWM se genera mediante el lenguaje de descripción de hardware (VHDL) y se implementa en FPGA. La implementación de PWM en FPGA puede procesar los datos más rápido y la arquitectura del controlador se puede optimizar para el espacio o la velocidad.


PWM es una técnica para proporcionar '0' lógico y '1' lógico durante un período de tiempo controlado. Es una fuente de señal que implica la modulación de su ciclo de trabajo para controlar la cantidad de energía enviada a la carga. En PWM, el período de tiempo de la onda cuadrada se mantiene constante y se varía el tiempo durante el cual la señal permanece ALTA.



El PWM genera los pulsos en su salida de tal manera que el valor promedio de HIGHs y LOWs es proporcional a la entrada de PWM. El ciclo de trabajo de la señal se puede variar. Una señal PWM es una onda cuadrada de período constante con ciclo de trabajo variable. Es decir, la frecuencia de la señal PWM es constante, pero el período de tiempo de la señal permanece alto y varía como se muestra.

Señal PWM

Señal PWM

VHDL

VHDL es un lenguaje que se utiliza para describir el comportamiento de diseños de circuitos digitales . VHDL es utilizado por industrias y académicos con el propósito de simulación de circuitos digitales. Su diseño se puede simular y traducir en la forma que sea adecuada para su implementación en hardware.


Arquitectura PWM

Producir los datos de entrada para generar el PWM utilizando un contador de funcionamiento libre de N bits de alta velocidad, cuya salida se compara con la salida del registro y almacena el ciclo de trabajo de entrada deseado con la ayuda del comparador. El comparador la salida se establece en 1 cuando ambos valores son iguales. Esta salida del comparador se utiliza para configurar el pestillo RS. La señal de desbordamiento del contador se utiliza para restablecer el pestillo RS. los salida de pestillo RS da la salida PWM deseada. Esta señal de desbordamiento también se utiliza para cargar un nuevo ciclo de trabajo de N bits en el registro. PWM tiene una frecuencia fija y un voltaje variable. Este valor de voltaje cambia de 0 V a 5 V.

Señal PWM con ciclo de trabajo variable

Señal PWM con ciclo de trabajo variable

El PWM básico genera las señales, lo que da la salida de PWM, requiere un comparador que compare entre dos valores. El primer valor representa la señal cuadrada generada por el contador de N bits y el segundo valor representa la señal cuadrada que contiene la información sobre el ciclo de trabajo. El contador genera la señal de carga cada vez que hay un desbordamiento. Una vez que la señal de carga se activa, el registro carga el nuevo valor del ciclo de trabajo. La señal de carga también se usa para restablecer el pestillo. La salida Latch es una señal PWM. Esto varía con el cambio en el valor del ciclo de trabajo.

¿Qué es FPGA?

La FPGA es una matriz de puerta programable en campo. Es un tipo de dispositivo que se usa mucho en circuitos electrónicos. Los FPGA son dispositivos semiconductores que contienen bloques lógicos programables y circuitos de interconexión. Se puede programar o reprogramar para la funcionalidad requerida después de la fabricación.

FPGA

FPGA

Conceptos básicos de FPGA

Cuando se fabrica una placa de circuito y si contiene un FPGA como parte de ella. Esto se programa durante el proceso de fabricación y, además, se puede reprogramar posteriormente para crear una actualización o realizar los cambios necesarios. Esta característica de FPGA la hace única de ASIC. Los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) se fabrican a medida para tareas de diseño específicas. En el pasado, los FPGA se usaban para desarrollar un diseño de baja velocidad, complejidad y volumen, pero hoy los FPGA fácilmente empujarán la barrera del rendimiento hasta 500MHz.

En los microcontroladores, el chip está diseñado para un cliente y éste tiene que escribir el software y compilarlo en un archivo hexadecimal para cargarlo en el microcontrolador. Este software se puede reemplazar fácilmente ya que está almacenado en la memoria flash. En los FPGA, no hay un procesador para ejecutar el software y somos nosotros quienes diseñamos el circuito. Podemos configurar un FPGA tan simple como una puerta AND o un complejo como un procesador multinúcleo. Para crear un diseño, escribimos el lenguaje de descripción de hardware (HDL), que es de dos tipos: Verilog y VHDL. Luego, el HDL se sintetiza en un archivo de bits usando un BITGEN para configurar el FPGA. La FPGA almacena la configuración en RAM, es decir, la configuración se pierde cuando no hay conectividad de energía. Por lo tanto, deben configurarse cada vez que se suministre energía.

Arquitectura de FPGA

Los FPGA son chips de silicio prefabricados que se pueden programar eléctricamente para implementar diseños digitales. La primera FPGA basada en memoria estática llamada SRAM se utiliza para configurar tanto la lógica como la interconexión mediante un flujo de bits de configuración. La EPGA moderna de hoy contiene aproximadamente 3 30 000 bloques lógicos y alrededor de 1100 entradas y salidas.

Arquitectura FPGA

Arquitectura FPGA

La arquitectura de FPGA consta de tres componentes principales

  • Bloques lógicos programables, que implementan funciones lógicas
  • Enrutamiento programable (interconexiones), que implementa funciones
  • Bloques de E / S, que se utilizan para realizar conexiones fuera del chip

Aplicaciones de señales PWM

Las señales PWM se utilizan ampliamente para aplicaciones de control. Como controlar motores de CC, válvulas de control, bombas, sistemas hidráulicos, etc. Estas son las pocas aplicaciones de las señales PWM.

  • Sistemas de calefacción con tiempos lentos de 10 a 100 Hz o más.
  • Motores eléctricos DC 5 a 10KHz
  • Fuentes de alimentación o amplificadores de audio de 20 a 200 KHz.

Este artículo trata sobre el generación de señales PWM con ciclo de trabajo variable usando FPGA. Además, para cualquier ayuda sobre proyectos electrónicos o dudas sobre este artículo, puede contactarnos comentando en la sección de comentarios que se encuentra a continuación.