توليد واكتشاف إشارة Generation and Detection of a PWM Signal

يشير التعديل إلى القدرة على ممارسة السيطرة على جهاز أو نظام، لذلك توجد طرق مثل هذه في عدد لا يحصى من التطبيقات في مجال الإلكترونيات، حيث يُعد “PWM” أحد الاستخدامات الأكثر شيوعاً للتعديل كطريقة تحكم.

ما هو تعديل عرض النبض PWM؟

تعديل عرض النبض “PWM”: هي تقنية تخفف من متوسط ​​كمية الطاقة القابلة للتسليم للإشارة الكهربائية المطبقة، وعلاوةً على ذلك يتم تحقيق العملية عن طريق تقطيع الإشارة بشكل فعال إلى أجزاء متميزة، وفيما يتعلق بالتشغيل الوظيفي يحقق هذا التحكم من خلال التحكم في متوسط ​​التيار والجهد الذي يسلمه للحمل كما يتم تحقيق هذه الطريقة عن طريق التبديل السريع بين الحمل والمصدر وتشغيله وإيقافه.

• “PWM” هي اختصار لـ “Pulse-width modulation”.

أساسيات توليد واكتشاف إشارة PWM Signal:

عند مقارنة فترات التشغيل والإيقاف للمفتاح، فإنّ الزيادة في الوقت المحدد مقابل وقت التوقف تزيد من إجمالي الطاقة المقدمة للحمل، وطريقة التحكم هذه لها العديد من التطبيقات المفيدة، فعلى سبيل المثال تُعد “PWM” المقترنة بأقصى تتبع لنقطة الطاقة “MPPT” إحدى الطرق الرئيسية لتقليل ناتج الألواح الشمسية لتسهيل استخدامها بواسطة البطارية.

كما يُعد “PWM” مناسباً بشكل أساسي لتشغيل الأجهزة بالقصور الذاتي “inertia” مثل المحركات والتي لا تتأثر بسرعة بهذا التحويل المميز، وينطبق هذا أيضاً على مصابيح “LED” المزودة بـ “PWM” بسبب الأسلوب الخطي الذي يؤثر فيه جهد الإدخال على وظائفها، ومع ذلك يجب أن يكون تردد تعديل “PWM” عالياً بشكل مناسب لعدم التأثير على البيانات، ومع ذلك فإنّ شكل الموجة الناتج الذي تتسبب فيه البيانات يجب أن يكون سلساً أيضاً.

عادةً ما يختلف التردد الذي يجب أن يتم فيه تبديل مصدر الطاقة بشكل كبير اعتماداً على الجهاز وتطبيقه فعلى سبيل المثال يجب أن يتم التبديل عدة مرات في الدقيقة في موقد كهربائي، وكذلك في عشرات أو مئات كيلو هرتز لإمدادات الطاقة للكمبيوتر ومكبرات الصوت، كما تتمثل إحدى المزايا المهمة لاستخدام “PWM” في أنّ فقد الطاقة في أجهزة التبديل منخفض بشكل كبير.

حيث من خلال مرحلة إيقاف التبديل لا يوجد تيار فعلياً، وأثناء مرحلة التشغيل للمفتاح لا يوجد عملياً أي انخفاض في الجهد عبر المفتاح أثناء نقل الطاقة إلى حملها، ونظراً لأنّ فقدان الطاقة هو نتيجة لكل من الجهد والتيار، فإنّ هذا يترجم إلى صفر تقريباً خسارة في الطاقة لـ “PWM”.

علاوة على ذلك يُعد “PWM” مناسباً تماماً للضوابط الرقمية نظراً لطبيعة التكنولوجيا الرقمية فعلى سبيل المثال “1” و”0″ أو حالات التشغيل والإيقاف، كما تتيح الطبيعة الجوهرية للتكنولوجيا الرقمية نفسها دون عناء لوظائف “PWM”، وبالتالي من السهل ضبط دورة العمل الضرورية.

• “LED” هي اختصار لـ “light emitting diodes”.

• “MPPT” هي اختصار لـ “Maximum power point tracker”.

مكونات تضمين عرض النبضة PWM:

إشارة “PWM” هي طريقة لإنشاء نبضات رقمية للتحكم في الدوائر التماثلية، وهناك نوعان من المكونات الأساسية التي تحدد سلوك إشارة “PWM”:

1- دورة العمل:

دورة العمل: هي جزء من فترة واحدة عندما يكون النظام أو الإشارة نشطة، حيث عادةً يتم التعبير عن دورة العمل كنسبة أو نسبة مئوية، والفترة الزمنية هي الوقت الذي تستغرقه الإشارة لإنهاء دورة “ON-OFF” كاملة.

بالنسبة لدورة العمل بينما تكون الإشارة عالية يُشار إليها على أنّها قيد التشغيل وتصف دورة العمل مقدار الوقت الذي تكون فيه الإشارة في حالة التشغيل، كما يتم قياس أو تحديد دورة العمل كنسبة مئوية وتمثل هذه النسبة المئوية الوقت المحدد الذي تكون فيه الإشارة الرقمية قيد التشغيل خلال فترة أي فاصل زمني، وهذا الفاصل هو معكوس تردد شكل الموجة.

على سبيل المثال الإشارة الرقمية التي تقضي نصف الوقت في حالة التشغيل ونصف الوقت في حالة إيقاف التشغيل سيكون لها دورة عمل بنسبة “50%” أي موجة مربعة مثالية، والإشارة الرقمية التي تقضي ثلاثة أرباع الوقت في وضع التشغيل وربع الوقت في حالة إيقاف التشغيل سيكون لها دورة عمل تبلغ “75%”.

2- التكرار:

التكرار: هو المعدل الذي يتكرر به شيء ما أو يحدث خلال فترة معينة، أي معدل حدوث الاهتزاز الذي ينتج عنه موجة، فعلى سبيل المثال موجات صوتية أو راديو أو ضوئية تُحسب عادةً في الثانية.

خصائص تضمين عرض النبضة PWM:

• في “PWM” يختلف عرض النبضات المعدلة بما يتلائم مع اتساع إشارة التشكيل.

• السعة والتردد لموجة “PWM” تبقى ثابتة، وفقط العرض يتغير.

• هذا هو سبب احتواء المعلومات في تباين العرض، وهذا مشابه لـ “FM“.

• نظراً لأنّ الضوضاء عادةً ما تكون ضوضاء مضافة، فإنّها تغير سعة إشارة “PWM”.

• في المستقبل من الممكن إزالة هذه الاختلافات غير المرغوب فيها في السعة بسهولة شديدة عن طريق دوائر المحدد.

• نظراً لوجود المعلومات في تباين العرض، فإنّها لا تتأثر بتغيرات السعة التي تسببها الضوضاء وبالتالي فإنّ نظام “PWM” أكثر مناعة ضد الضوضاء من إشارة “PAM“.

ملاحظة:“FM” هي اختصار لـ “frequency modulation”.

ملاحظة:“PAM” هي اختصار لـ “Pulse-amplitude modulation”.

خطوات توليد إشارة PWM:

• يولد مولد سن المنشار إشارة سن المنشار بتردد “fs”، ويتم استخدام إشارة سن المنشار هذه في هذه الحالة كإشارة أخذ عينات.

• يتم تطبيقه على الطرف المقلوب للمقارن.

• يتم تطبيق إشارة التشكيل “x (t)” على الطرف غير المقلوب لنفس المقارنة.

• سيبقى ناتج المقارنة مرتفعاً ما دام أنّ السعة اللحظية لـ “x (t)” أعلى من إشارة المنحدر.

• يؤدي هذا إلى ظهور إشارة “PWM” عند ناتج المقارنة.

مراحل توليد إشارة تعديل عرض النبض PWM:

يمكن إنشاء إشارة تعديل عرض النبض باستخدام المقارنة، حيث تشكل إشارة التعديل أحد المدخلات للمقارن ويتم تغذية الإدخال الآخر بموجة غير جيبية أو موجة سن المنشار، كما تعمل بتردد الموجة الحاملة ويقارن جهاز المقارنة بين الإشارتين ويولد إشارة “PWM” مثل شكل موجة الناتج.

إذا كانت قيمة إشارة مثلث سن المنشار أكبر من إشارة التعديل، فإنّ إشارة ناتج “PWM” تكون على “عالية” وإلّا فإنها تكون في حالة “منخفضة”، وبالتالي فإنّ قيمة حجم إشارة الإدخال تحدد ناتج المقارنة الذي يحدد عرض النبضة المتولدة عند الناتج.

كشف إشارة PWM:

• إشارة “PWM” المستلمة عند مدخل دائرة الكشف ملوثة بالضوضاء.

• يتم تطبيق هذه الإشارة على دارة مولد النبض التي تعيد توليد إشارة “PWM”.

• يتم إزالة بعض الضوضاء ويتم تربيع النبضات.

• يتم تطبيق النبضات المجددة على مولد نبض مرجعي، كما إنّه ينتج قطاراً من النبضات ذات الاتساع الثابت والعرض الثابت.

• تتم مزامنة هذه النبضات مع الحواف الأمامية لنبضات “PWM” المجددة ولكنها تتأخر بفاصل زمني ثابت.

• يتم أيضاً تطبيق نبضات “PWM” المجددة على مولد منحدر.

• عند ناتجها يتم الحصول على منحدر ثابت طوال مدة النبض، وبالتالي فإنّ ارتفاع المنحدر يتناسب مع عرض نبضات “PWM”.

• في نهاية النبضة يحتفظ مضخم العينة والمسك بجهد المنحدر النهائي حتى تتم إعادة ضبطه في نهاية النبضة.

• تضاف نبضات السعة الثابتة عند ناتج مولد النبض المرجعي إلى إشارة المنحدر.

• يتم قطع خرج الأفعى عند مستوى أدنى لتوليد إشارة “PAM” عند ناتج المقص.

• يتم استخدام مرشح تمرير منخفض لاستعادة إشارة التعديل الأصلية مرة أخرى من إشارة “PAM”.