Tín hiệu số là tín hiệu có thể được biểu thị bằng 0 hoặc 1. Mặt khác, tín hiệu tương tự có phạm vi giá trị khả dĩ lớn hơn so với chỉ 0 hoặc 1. Cả hai tín hiệu này đều được sử dụng trong các thiết bị điện tử xung quanh chúng ta nhưng chúng được xử lý rất khác nhau. Nếu chúng ta cần lấy đầu vào tương tự, chúng ta có thể lấy dữ liệu tương tự thời gian thực từ một cảm biến, sau đó sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC), chuyển đổi nó thành dữ liệu số cho một bộ vi điều khiển.
Nhưng nếu chúng ta cần điều khiển một thiết bị tương tự thì sao? Một số bộ vi điều khiển có bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) trên bo mạch để xuất tín hiệu tương tự thực nhằm điều khiển các thiết bị tương tự và thậm chí chúng ta có thể sử dụng DAC bên ngoài. Nhưng một bộ DAC tương đối đắt tiền để sản xuất về mặt chi phí và nó cũng chiếm rất nhiều diện tích . Để khắc phục những vấn đề này và để dễ dàng đạt được chức năng của một DAC theo cách tiết kiệm chi phí hơn nhiều, chúng ta có thể sử dụng kỹ thuật PWM. Hãy cùng tham khảo với Bảo Khang Electric nhé !
Điều khiển PWM là gì ?
PWM hoặc Điều chế độ rộng xung là một kỹ thuật được sử dụng để điều khiển các thiết bị tương tự, sử dụng tín hiệu kỹ thuật số. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để xuất tín hiệu tương tự từ thiết bị kỹ thuật số, chẳng hạn như bộ vi điều khiển. Chúng ta có thể điều khiển động cơ, đèn, bộ truyền động, v.v. bằng cách sử dụng tín hiệu PWM được tạo. Một điều quan trọng cần lưu ý ở đây là PWM không phải là tín hiệu tương tự thực sự. Tín hiệu kỹ thuật số được sửa đổi theo cách để giả mạo tín hiệu tương tự.
Giải thích nguyên lý điều khiển PWM
Với các thành phần điện, bạn có thể điều khiển dòng điện cung cấp cho chúng, ngay cả khi điều khiển duy nhất bạn có là bật và tắt nguồn điện. Bạn có thể nhanh chóng bật và tắt nguồn điện theo mẫu để kiểm soát dòng điện cung cấp cho thiết bị. Giữ nó ở chế độ “bật” trong một khoảng thời gian dài hơn thời gian “tắt” sẽ nâng mức công suất trung bình và làm theo cách ngược lại sẽ làm giảm mức công suất trung bình. Chúng ta có thể tạo ra nhiều loại tốc độ khác nhau (tương tự) cho động cơ và bộ truyền động của mình mặc dù trên thực tế,ta chỉ đang chuyển đổi giữa hai trạng thái có thể là bật và tắt (kỹ thuật số) Đây chính xác là tín hiệu PWM.
Hãy sử dụng phép loại suy này làm ví dụ. Hãy tưởng tượng bạn có một chiếc quạt trần trong nhà nhưng không có bất kỳ bộ điều chỉnh tốc độ nào. Vì vậy, bạn có thể bật nó lên và nó sẽ dần dần đạt được tốc độ tối đa hoặc bạn có thể tắt nó đi. Bây giờ, nếu tôi yêu cầu bạn chạy quạt ở 50% tốc độ tối đa thì sao. Có thể không có bộ điều tốc? Hãy suy nghĩ về câu hỏi này. Câu trả lời là có, nó có thể. Mặc dù không thực sự khuyên bạn nên làm điều này, nhưng bạn có thể đạt được điều đó bằng cách nghịch một chút với công tắc của quạt trần.
Chúng ta biết rằng quạt sẽ không đạt được tốc độ tối đa ngay lập tức khi chúng ta bật và quạt sẽ không dừng ngay lập tức khi chúng ta tắt. Bật công tắc, đợi quạt chạy được 50% tốc độ thì tắt công tắc. Bật lại khi nó bắt đầu chậm lại. Sử dụng sự chậm trễ chúng ta có thể bật hoặc tắt, làm cho nó nhanh hơn hoặc chậm hơn để đạt được tốc độ mong muốn. Một điều quan trọng cần lưu ý ở đây là việc bật quạt liên tục sẽ khiến nó tiêu thụ một lượng lớn dòng điện, vì vậy, một lần nữa, chúng tôi không khuyến khích bạn làm điều này trong đời thực.
Việc bật và tắt là xung. Khoảng thời gian mà xung được giữ ở trạng thái cao là độ rộng xung. T đại diện cho tổng thời gian thực hiện để hoàn thành một chu kỳ. Điều chế đề cập đến việc sửa đổi tín hiệu gốc để có được tín hiệu mong muốn. Vì vậy, chúng ta đang sửa đổi một tín hiệu hoặc xung sao cho nó được “bật” trong khoảng thời gian theo nhu cầu của đoa là Điều chế độ rộng xung.
Duty Cycle là gì ?
Trong các tín hiệu, chúng ta định nghĩa mức logic cao là “on-time”. Để thể hiện khoảng thời gian “on-time”, chúng ta sử dụng khái niệm Duty Cycle. Nói một cách đơn giản,Duty Cycle mô tả tỷ lệ phần trăm thời gian tín hiệu kỹ thuật số được “bật” trong một khoảng thời gian . Nó được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm (%).
Hãy lấy tín hiệu có điện áp tối đa là 10V. Nếu tín hiệu của chúng ta mất một giây để hoàn thành một chu kỳ và tín hiệu bật trong 0,5 giây và tắt trong 0,5 giây còn lại, đây được gọi là chu kỳ hoạt động 50% và chúng tôi sẽ nhận được 5V làm đầu ra điện áp trung bình. Nếu tín hiệu bật trong 0,75 giây và tắt trong 0,25 giây còn lại, thì đó sẽ là chu kỳ hoạt động 75% và đầu ra sẽ là 7,5V. Hình ảnh bên dưới biểu thị các tín hiệu có chu kỳ nhiệm vụ khác nhau và điện áp trung bình do chúng tạo ra:
Duty Cycle làm cho PWM đúng như thực tế. Chúng ta nhận được các tín hiệu PWM khác nhau bằng cách thay đổi Duty Cycle của tín hiệu. Duty Cycle có thể được tính theo công thức dưới đây:
Trong đó
D = Chu kỳ hoạt động theo tỷ lệ phần trăm
T on = Khoảng thời gian tín hiệu ở trạng thái “bật”
Khoảng thời gian = Tổng thời gian cần thiết để hoàn thành một chu kỳ ( T on + T off )
Sau khi chúng ta tính chu kỳ nhiệm vụ, chúng ta có thể tính điện áp trung bình của tín hiệu bằng công thức sau:
Trong đó
V avg = Điện áp trung bình của tín hiệu
D = Chu kỳ làm việc theo Phần trăm
V max = Điện áp tối đa của tín hiệu
Tần số
Giống như chu kỳ nhiệm vụ, tần số cũng là thành phần chính xác định hành vi của tín hiệu PWM. Đó là số lần tín hiệu lặp lại mỗi giây. Tần số yêu cầu phụ thuộc vào ứng dụng. Ví dụ: tần số của tín hiệu PWM phải đủ cao nếu chúng ta muốn thấy hiệu ứng làm mờ thích hợp trong khi điều khiển đèn LED. Chu kỳ hoạt động 20% ở 1 Hz sẽ dễ nhận thấy đối với mắt người rằng đèn LED đang BẬT và TẮT. Tuy nhiên, nếu chúng ta tăng tần số lên 100Hz, chúng ta sẽ thấy độ mờ thích hợp của đèn LED.
