مقدمه
حتما تاکنون عبارت تولید پالس مربعی، مدولاسیون عرض پالس یا PWM را شنیده‌اید و احتمالا با آن‌ها کار کردید. مثلا اینکه چه پایه‌هایی از آردوینو (یا هر میکرو کنترلر دیگری) قابلیت تولید پالس PWM را دارد. مدولاسیون عرض پالس تکنیکی است برای تولید سیگنال پالس‌های مربعی با ویژگی‌های دلخواه که کاربردهای گسترده‌ای در زمینه های مختلف الکترونیک دارد . برخی از این کاربردها عبارتند از: کنترل رنگ و میزان روشنایی ال‌ای‌دی ها، کنترل موتورها، تایمر ها و هماهنگ کردن (سنسکرون سازی) سیستم های دیجیتال. علاوه بر این، از این تکنیک تقریبا در تمامی منابع تغذیه سوییچینگ و دیگر روش‌های کنترل ولتاژ و تغذیه استفاده می‌شود.
به دلیل اهمیت این مفهوم ابتدا به توضیح مختصر آن می‌پردازیم.
مدولاسیون پهنای باند (PWM) چیست؟
PWM —مخفف عبارت Pulse Width Modulation به معنای مدولاسیون پهنای باند— فرایندی است که از طریق آن، پارامترهای یک شکل موج مربعی را کنترل و تنظیم می‌کنیم. مهمترین پارامترها عبارتند از: فرکانس پالس تولیدی، دیوتی سایکل (Duty Cycle) و دامنه ولتاژ موج مربعی.
شکل زیر را در نظر بگیرید:
پارامترهای مهم یک موج مربعی عبارتند از:
دوره تناوب: کوچکترین واحد زمانی که یک شکل موج از تکرار آن حاصل می‌شود. نماد آن T و واحد آن ثانیه است.
فرکانس: معکوس دوره تناوب. به عبارتی فرکانس تعداد تکرار دوره تناوب در واحد زمان است. نماد فرکنس f و واحد آن هرتز (Hz=1/s) است.
چرخه کاری (Duty Cycle): نسبت زمان روشن بودن موج در طول یک تناوب به کل زمان دوره تناوب . معمولا به صورت درصد بیان می‌شود.
دامنه: دامنه ولتاژ موج تولیدی.
مثال: اگر یک شکل موج ولتاژ الکتریکی، در هر دو ثانیه 1.2 ثانیه روشن و 0.8 ثانیه خاموش باشد و سپس این فرآیند تکرار شود، فرکانس و چرخه کاری موج را به دست آورید ؟
جواب ساده است: از آن جا که شکل موج هر دو ثانیه تکرار می‌شود، دوره تناوب همان 2 ثانیه است.
فرکانس: یک تقسیم بر دو ثانیه = 0.5 هرتز .
و چرخه کاری:
توجه شود توضیح کامل مفهوم مدولاسیون پهنای باند و روش‌ها و کاربردهای آن بسیار گسترده تر است و در این مقاله نمی گنجد. برای کاربردهای ما، در همین حد آشنایی لازم و احتمالا کافی باشد. اگر به اطلاعات بیشتری در این زمینه نیاز دارید می توانید به مقاله‌های متعددی که در این زمینه وجود دارد رجوع کنید.
ماژول‌ها و قطعات مختلفی در زمینه تولید سیگنال PWM با متدهای متنوع، طراحی و ساخته شده‌اند. در این مقاله به راه‌اندازی و کار با ماژول XY-LPWM که یک قطعۀ به نسبت کامل و مجهز در این زمینه است می‌پردازیم.
معرفی ماژول مولد پالس XY-LPWM
ماژول XY-LPWM یک ماژول مولد پالس مربعی است که نسبت به بسیاری از ماژول های این خانواده، امکانات بیشتری دارد. فرکانس موج تولیدی این ماژول از 0 هرتز تا 150 کیلوهرتز و دیوتی سایکل آن از 0 تا 100 درصد قابل انتخاب و تنظیم است. دقت فرکانس پالس خروجی در این ماژول 2% بوده که برای بسیاری از کاربردها دقت بسیار خوبی محسوب می‌شود.
وجود یک نمایشگر LCD و 4 کلید فشاری برای تنظیم مستقل فرکانس و دیوتی سایکل پالس، کار با این ماژول را بسیار راحت ساخته است. علاوه بر آن، رابط کاربری سریال TTL نیز روی ماژول طراحی شده است که بوسیله آن می‌توان از طریق پورت سریال کامپیوتر با ماژول ارتباط برقرار کرد.
ولتاژ ورودی ماژول XY-LPWM می‌تواند در بازه‌ی 3.3 تا 30 ولت دی‌سی باشد. ضمناً دامنه ولتاژ پالس خروجی بدون هیچ افتی نسبت به دامنه ولتاژ ورودی تولید می‌شود.
مشخصات فنی ماژول XY-LPWM
• ولتاژ ورودی: 3.3تا 30 ولت
• جریان مصرفی ماژول: 20 میلی‌آمپر در ولتاژ تغذیه 5 ولت
• دامنه ولتاژ خروجی: مساویت با دامنه ولتاژ ورودی
• فرکانس تولیدی: 0 هرتز تا 150 کیلو هرتز
• دقت فرکانس تولیدی: حدود 2%
• دیوتی سایکل: 0 تا 100 درصد
• حداکثر جریان خروجی : 30 میلی‌آمپر
• دمای مناسب کاری: -20 تا 70 درجه سانتی‌گراد
• دارای نمایشگر ال‌سی‌دی برای نمایش فرکانس و دیوتی سایکل موج تولیدی
• دارای رابط سریال TTL با منطق 3.3 ولت
• ابعاد: 52*32*10 میلی‌متر
معرفی پایه‌های (Pinout) ماژول مولد پالس دیجیتال XY-LPWM
+ : تغذیه ماژول (ولتاژ ورودی)
• GND : زمین
• VIN- : زمین (GND)
• PWM: پایه خروجی پالس
پین‌های ارتباط سریال
• TXD: پایه ارسال اطلاعات
• RXD: پایه دریافت اطلاعات
لوازمی که به آن احتیاج دارید
قطعات مورد نیاز
*این قطعه برای افزایش توان خروجی ماژول مورد استفاده قرار می‌گیرد و موارد مشابه مختلفی برای آن وجود دارد. برای تست یا استفاده ماژول در زمانی که به توان خروجی بالایی نیاز ندارید لزومی به تهیه آن نیست.
**فن 12 ولت نیز برای تست و شبیه‌سازی کنترل دور موتور می‌باشد. برای استفاده از ماژول در موارد دیگر لزومی به تهیه آن نیست.
تست و راه‌اندازی ماژول مولد پالس دیجیتال XY-LPWM
تغذیه ماژول
این ماژول در محدوده ولتاژ 3 تا 30 ولت که از طریق پین‌های VIN+ تامین می‌شود قابل راه‌اندازی است. دو پین VIN+ به صورت داخلی متصل شده‌اند و اتصال یکی از آن‌ها به پایه مثبت منبع تغذیه کافی است. همچنین برای پین‌های VIN- نیز که با زمین مدار یکی هستند.
ورودی تغذیه ماژول بوسیله یک دیود شاتکی در برابر ولتاژ بالا محافظت شده است. و مدار منطقی ماژول با سطح ولتاژ 3.3 ولت کار می‌کند که بوسیله یک رگولاتور 3.3 ولت روی برد تامین می‌شود.
زمانیکه ولتاژ ورودی از 4 ولت کمتر شود، نور پس زمینه صفحه نمایش کاهش پیدا می‌کند اما ماژول تا ولتاژ 3 ولت به طور مناسبی فعالیت می‌کند.
ماژول در ولتاژ کاری کوچکتر مساویِ 5 ولت به میزان 20 میلی‌آمپر از منبع تغذیه جریان می‌کشد. به عبارتی توان مصرفی ماژول در ولتاژ کاری 5 ولت چیزی حدود 0.1 وات است.
به عنوان مثال در ولتاژ کاری 5 ولت، حداکثر توان مصرفی کل مساویست با مجموع توان‌های زیر:
توان مصرفی ماژول= ولتاژ کاری * جریان مصرفی ماژول = 20mA * 5V = 0.1 وات
توان خروجی= ولتاژ خروجی * جریان خروجی = 30mA * 5V = 0.15 وات.
پس منبع تغذیه باید حداقل 0.25 وات توان را تامین کنید یعنی در ولتاژ 5 ولت باید قابلیت جریان‌دهی حداقل تا 50mA را دارا باشد.
تست ماژول سیگنال ژنراتور PWM
برای تست ساده ماژول، مدار را مطابق شکل ببندید. ولتاژ تغذیه باید بین 3.3 تا 30 ولت باشد.
فرمت کلی نمایشگر را در تصویر بالا می‌بینید. سطر اول، فرکانس پالس خروجی، و سطر دوم، درصد دیوتی سایکل سیگنال پالس خروجی را نشان می‌دهد.
می‌توان برای بررسی و تست صحت فرکانس و دیوتی سایکل خروجی، خروجی ماژول را با اسیلوسکوپ مشاهده نمود.
فرکانس موج مشاهده شده در اسیلوسکوپ باید مساوی فرکانس نمایش داده شده در نمایشگر ماژول باشد.
راهکار حل محدودیت جریان خروجی در ماژول XY-LPWM
همانطور که بیان شد حداکثر جریان خروجی مجاز ماژول XY-LPWM می‌تواند 30 میلی‌آمپر باشد. این مقدار زمانیکه برای راه‌اندازی مدارات منطقی استفاده شود مشکلی پیش نمی‌آورد چون مصرف جریان آن‌ها کم است. اما زمانیکه بخواهیم یک قطعه با جریان بالا، مثل یک موتور DC، را راه‌اندازی کنیم چنین جریانی اصلا کافی نبوده و باید خروجی جریان را به طریقی تقویت کنیم.
یکی از روش‌های افزایش جریان و توان خروجی استفاده از مدارات سوییچینگ است. به این صورت که از سیگنالِ خروجی ماژول مولد پالس به عنوان سیگنالِ تحریکِ مدارات سوییچینگ استفاده می‌کنیم. و از خروجی مدار سوییچینگ برای راه‌اندازی قطعات با مصرف بالا بهره می‌بریم.
مدارات سوییچینگ یا کلیدزنی مختلفی وجود دارند که بیشتر آن‌ها بر پایه ترانزیستورها طراحی شده‌اند. این مدارات کمک می‌کنند تا با یک سیگنال تحریک ضعیف (با جریان و ولتاژ پایین) یک عملگر مانند موتور (با ولتاژ و جریان بالاتر) را راه‌اندازی و کنترل کرد. سیگنال تحریک می‌تواند از یک میکروکنترلر یا از هر مدار دیگری مانند ماژول مولد پالس باشد.
ابتدا به تشریح مختصر یک نوع مدار کلیدزنی با ترانزیستور ماسفت می پردازیم:
ترانزیستور ماسفت به عنوان کلید
مدار زیر فرم کلی استفاده از یک ترانزیستور ماسفت برای مدار کلید زنی (سوییچینگ) را نشان می‌دهد.
در مدار بالا با افزایش ولتاژ ورودی (VIN)، ولتاژ پایه گیت ترانزیستور (G) نیز افزایش یافته و ترانزیستور فعال می‌شود. به این معنی که اتصال بین پایه درین (D) و سورس (S) برقرار شده و جریان می‌تواند از سمت VDD به زمین جاری شود؛ یعنی لامپ (یا هر مصرف کننده دیگری که در مدار باشد) روشن می‌شود.
پایه VIN باید به یک میکروکنترلر یا هر مدار دیگری که بتواند سیگنال تحریک مورد نیاز ترانزیستور را فراهم کند متصل گردد. در این حالت، جریانی که توسط مصرف کننده در مدار مصرف می‌شود دیگر از پایه VIN عبور نمی‌کند. همچنین مقدار ولتاژ VDD که به عنوان منبع تغذیه مصرف کننده عمل می‌کند می‌تواند بسیار بیشتر از ولتاژ تحریک باشد (ولتاژ و جریان تحریک و درین-سورس در ترانزیستورهای مختلف متفاوت است و برای بدست آوردن مقادیر دقیق برای هر مدل خاصی، باید به دیتاشیت ترانزیستور مراجعه نمود).
به عنوان مثال سعی کنید یک موتور 12 ولت را با یک آردوینو کنترل کنید. از آن‌جا که ولتاژ پایه‌های آردوینو 5 ولت بوده و جریان عبوری از آن‌ها نیز حداکثر می‌تواند 30 میلی‌آمپر باشد، نمی‌توان پایه آردوینو را به عنوان خروجی مستقیما به پایه موتور متصل نمود. راه حل: استفاده از مدار سوییچینگ بالا. پین خروجی آردوینو را به VIN و VDD را به منبع تغذیه 12 ولت متصل کرده و موتور را به جای لامپ قرار می‌دهیم. در این حالت می‌توانیم با سیگنال 5 ولت آردوینو، مدار تغذیه موتور 12 ولت را فعال کنیم. در ادامه با استفاده از یک ماژول سوییچینگ قدرت، به کنترل دور موتور DC می‌پردازیم.
ما در این مثال از ماژول سوییچ ماسفت HW-517 به عنوان مدار سوییچینگ استفاده می‌کنیم. این ماژول از دو ترانزیستور ماسفت قدرت مدل AOD4184A به صورت موازی استفاده کرده که در نهایت قابلیت جریان‌دهی تا 15 آمپر را به ما می‌دهد. ولتاژ تحریک این ماژول 3.3 تا 20 ولت و ولتاژ خروجی آن می‌تواند 5 تا 36 ولت باشد.
کنترل سرعت موتور با ماژول مولد پالس XY-LPWM و سوییچ ماسفت
سیم بندی
در مدار بالا، خروجی ماژول مولد پالس XY-LPWM به عنوان سیگنال تحریک به ماژول سوییچ داده می‌شود. ترانزیستورهای ماسفت با همان فرکانس و دیوتی سایکل سیگنال تحریک قطع و وصل می‌شوند که در نتیجه آن، اتصال بین فن و منبع تغذیه سمت راست نیز قطع و وصل می‌شود. با این روش مقدار میانگین ولتاژی که به فن می‌دهیم با کنترل فرکانس و دیوتی سایکل قابل کنترل خواهد بود. سرعت موتور دی‌سی نیز متناسب است با میانگین ولتاژ.
منبع تغذیه سمت راست باید ولتاژی بین 5 تا 36 ولت داشته باشد که مقدار دقیق آن با توجه به ولتاژ راه‌اندازی مصرف کننده (در این جا فن) تعیین می‌شود. جریان آن نیز باید متناسب با مقدار جریان مصرفی عملگر انتخاب شود.
در صورتیکه ولتاژ عملگر در بازه 5 تا 20 ولت باشد، می‌توان از یک منبع تغذیه مشترک استفاده کرد به شرط آنکه جریان لازم کل را بتواند فراهم کند.
مدار بالا برای کنترل رنگ و شدت نور ال‌ای‌دی های RGB نیز می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد.
تنظیمات ماژول سیگنال ژنراتور PWM مدل XY-LPWM
تنظیم فرکانس
فرکانس ماژول XY-LPWM از 0 هرتز تا 150 کیلوهرتز قابل تنظیم می‌باشد. برای این کار کافیست دکمه های مربوط به تنظیم فرکانس را فشار دهید. دکمه + برای افزایش فرکانس و دکمه – برای کاهش فرکانس است. با فشردن و نگه داشتن هر یک از دکمه‌ها، تغییرات با سرعت بیشتری انجام می‌شود.
در زمان تغییر فرکانس، لغت OUT روی نمایشگر پاک شده و لغت SET نمایش داده می‌شود و عدد مربوط به فرکانس (عدد سطر اول) نیز بر روی صفحه تغییر می‌کند.
فرمت نمایش فرکانس تولیدی به شکل‌های زیر می‌باشد:
• XXX: در این حالت عدد نشان داده شده همان فرکانس خروجی است که به هرتز نشان داده شده و برای نمایش فرکانس از 0 تا 999 هرتز به کار می‌رود. به عنوان مثال، 300 به معنای 300Hz است.
• X.XX : بیانگر فرکانس موج به کیلو هرتز است. مثلا 1.00 به معنای 1KHz است. برای نمایش فرکانس از بازه‌ی 1KHz تا 9.99KHz به کار می‌رود. در این بازه، تغییرات فرکانسی به ازای هر بار فشردن کلیدهای مربوطه 10 هرتز است.
• XX.X: بیانگر فرکانس چند ده کیلوهرتز است. مثلا 10.0 به معنای 10KHz می‌باشد. برای نشان‌دادن فرکانس در بازه‌ی 10.0 KHz تا 99.9KHz به کار می‌رود. در این بازه تغییرات فرکانسی به ازای هر بار فشردن کلیدهای مربوطه 100 هرتز است.
• X.X.X: بیانگر فرکانس چند صد کیلو هرتز است. مثلا 1.0.0 به معنای 100KHz می‌باشد. برای نشان‌دادن فرکانس در بازه‌ی 100KHz تا 150KHz به کار می‌رود. در این بازه، تغییرات فرکانسی به ازای هر بار فشردن کلیدهای مربوطه 1kHz است.
تنظیم دیوتی سایکل
دیوتی سایکلِ ماژول XY-LPWM از 0 تا 100 درصد قابل تغییر است. برای تنظیم این پارامتر کافیست از کلیدهای + و – نشان داده شده در تصویری بالا استفاده کنید. عدد سطر دوم صفحه نمایش یک عدد سه رقمی است که بیانگر این درصد است.
کنترل ماژول مولد پالس XY-LPWM از طریق رابط سریال
همانطور که گفته شد روی ماژول، یک پورت ارتباط سریال با سطح منطق 3.3 ولت تعبیه شده است. با دستورات مشخصی از طریق پورت سریال می‌توان مشخصات فرکانس موج تولیدی را تنظیم و یا مشخصات تنظیم شده را بازیابی کرد.
اگر برای ارتباط با ماژول از یک میکروکنترلر با سطح منطقی ولتاژ 5 ولت استفاده می‌کنید دقت شود که باید از یک مبدل سطح ولتاژ نیز استفاده کنید تا آسیبی به ماژول مولد پالس وارد نشود.
بادریت ارتباط سریال 9600 است.
تنظیم فرکانس
برای تنظیم فرکانس، اطلاعات را مشابه همان فرمتی که در نمایشگر بود به همراه یک پیشوند ‘F’ از طریق سریال به ماژول بفرستید. به مثال های زیر توجه کنید.
• F100: تنظیم فرکانس روی 100Hz
• F1.00: تنظیم فرکانس روی 1kHz
• F10.0: تنظیم فرکانس روی 10kHz
• F1.0.0: تنظیم فرکانس روی 100kHz
اگر پیام برای ماژول قابل فهم باشد با عبارت “DOWN” پاسخ داده می‌شود در غیر این صورت عبارت “FAIL” را برمی‌گرداند.
تنظیم دیوتی سایکل
برای تنظیم دیوتی سایکل، درصد مورد نظر را با پیشوند “D” به ماژول ارسال کنید.
D050: تنظیم دیوتی سایکل روی 50%
خواندن مقادیر تنظیم شده
برای خواندن تنظیماتی که روی ماژول وجود دارد، لغت read را به ماژول ارسال کنید.
یک گام فراتر
می‌توانید با استفاده 3 ماژول مولد پالس و 3 ماژول سوییچ مانند مثال دوم، یک کنترلر رنگ RGB بسازید و با آن رنگ و میزان نور یک ریسه ال‌ای‌دی RGB را تنظیم نمایید.
با استفاده از ماژول مولد پالس و یک مدار RC، یک واحد تبدیل ولتاژ دیجیتال به آنالوگ بسازید.
با استفاده از آردوینو، کدی بنویسید که مقادیر را از پورت سریال کامپیوتر دریافت کرده و روی ماژول اعمال کند.
