Analog Discovery 2 i pulsmoduleringsapplikasjoner

Det er mange analoge og digitale metoder for signalmodulering. Pulsmodulering brukes ofte til å etterligne en enkel digital-til-analog-konvertering. Bæreren er et høyfrekvent koblingssignal med bare to mulige spenningsnivåer (høyt og lavt, i likhet med logiske signaler). I motsetning til logiske signaler, må den faktiske spenningsverdien som koder for høy og lav tilstand være nøyaktig, nøyaktigheten til U_high og U_low reflekteres i nøyaktigheten til det analoge signalet.

Modulatoren er et signal med høyere oppløsning og lavere frekvens. Modulasjonen består i å justere driftssyklusen til bæreren slik at den er proporsjonal med den øyeblikkelige verdien av bæreren. Det modulerte signalet inneholder spektrale komponenter til både bæreren og modulatoren.

Demoduleringen gjøres vanligvis med et lavpassfilter. Ideelt sett fjernes høyfrekvente komponenter i bæreren, mens lavfrekvente komponenter i modulatoren forblir uendret. Nøyaktigheten av demodulering avhenger av hvor godt spektralkomponentene kan skilles fra hverandre. Egenskapene til lavpassfilteret (type og rekkefølge) er viktige. På den annen side, hvis bærerens spektrale komponenter er mye høyere enn modulatorkomponentene, kan til og med et enkelt lavpassfilter gi god separasjon.

Den vanligste typen pulsmodulering er pulsbreddemodulasjon (PWM), pulsvarighetsmodulering eller «undershoot»-modulering. PWM-signaler har en konstant frekvens. Modulasjon angir bredden (varigheten) på de høye pulsene og følgelig driftssyklusen til det modulerte signalet. Pulse density modulation (PDM), også kalt deltamodulering. Driftssyklusen er proporsjonal med den øyeblikkelige verdien av modulatoren.

Analog Discovery 2 og WaveForms
Disse typer signaler kan genereres ved hjelp av Digilents Analog Discovery 2 USB-multifunksjonsinstrument og det gratisprogrammet WaveForms som følger med. Samtidig kan du analysere hvordan lavpassfilter kan brukes til å konvertere bæresignalene til et omtrentlig sinusformet signal.

Analog Discovery 2 ble utviklet av Digilent i samarbeid med Analog Devices. Det er et multifunksjonsinstrument for måling, visualisering, generering, opptak og kontroll av blandede signalkretser av alle typer. Det rimelige instrumentet er lite nok til å passe i lommen, men kraftig nok til å erstatte en rekke laboratorieinstrumenter. Det lar ingeniører, studenter og elektronikkentusiaster jobbe med analoge og digitale kretser i praktisk talt ethvert miljø.

De analoge og digitale inn- og utgangene kan kobles til en krets via enkle ledningsprober. Alternativt kan Analog Discovery BNC Adapter og BNC-prober brukes til å koble til og bruke inn- og utgangene. Kontrollert av WaveForms kan Analog Discovery 2 konfigureres til å fungere som ett av flere tradisjonelle instrumenter, inkludert et oscilloskop, signalgenerator, strømforsyning, voltmeter, datalogger, logikkanalysator, mønstergenerator, statisk I/O, spektrumanalysator, nettverksanalysator, impedansanalysator eller protokollanalysator.

WaveForms er gratis programvare som følger med Analog Discovery 2 og som lar deg bruke de tilgjengelige analoge og digitale instrumentene. Programvaren er forbedret over ti år med tilbakemeldinger fra kunder og har et brukergrensesnitt som oppleves som tradisjonelle stasjonære instrumenter. Analog Discovery 2 kommuniserer med WaveForms via en USB-tilkobling, slik at brukerne kan fange, registrere, analysere og generere blandet signal og blandede domenebølgeformer. WaveForms kan lastes ned og installeres på 60 sekunder og testes uten maskinvare ved hjelp av demomodusfunksjonen. I tillegg til å bruke instrumentene i applikasjonen, inkluderer WaveForms et skriptredigeringsverktøy som lar brukerne tilpasse instrumentene ved hjelp av JavaScript.

Operativsystemkompatibilitet: WaveForms kan kjøres på en bærbar eller stasjonær datamaskin og er kompatibel med Mac, Windows og Linux. For mer informasjon om spesifikke operativsystemdetaljer, besøk WaveForms Resource Center.

Figur 1: Analog Discovery 2 med et lavpassfilter montert på et breadboard-adapterFørste ordens lavpassfilter som brukes her er et RC-element med en 10 kOhm motstand i serie med en 10 nF kondensator mot jord. Kanal 1 til oscilloskopet er plassert slik at spenningen måles ved seriekobling av motstand og kondensator. Kanal 2 måler over kondensatoren. Dette tilsvarer inngangs- eller utgangsspenningene. DIO10 fra Analog Discovery 2 gir inngangssignalet. Den må kobles til på siden av motstanden som ikke er koblet til kondensatoren. En jordforbindelse er laget på siden av kondensatoren som ikke er koblet til motstand. Dette fullfører maskinvareoppsettet – se figur 1. 

Bakgrunn: Digitale signaler kan beskrives som høye eller lave (eller slås på og av) på et bestemt tidspunkt. En puls er et digitalt signal som på en eller annen måte bytter mellom disse høye og lave nivåene. Forholdet mellom tiden et nivå er høyt og tiden et nivå er lavt kalles driftssyklus og uttrykkes vanligvis som en prosentandel eller brøkdel av tiden signalet er høyt i forhold til signalperioden. Et modulerende pulssignal er en puls som har en dynamisk driftssyklus, en dynamisk frekvens eller begge deler.

Et lavpassfilter utnytter dette ved å generere (for en gitt tid) en spenning som er proporsjonal med den øyeblikkelige driftssyklusen. Over et bestemt tidsintervall sender lavpassfilteret ut en spenning som er representativ for dynamikken i pulsdriftssyklusen. Dette gjøres vanligvis på en slik måte at utgangssignalet tilnærmes en sinusbølge eller et annet «buet» eller «glatt» signal. I dette prosjektet oppnås dette ved å lade og utlade kondensatoren via motstanden. Og dette representerer en enkel digital-til-analog konvertering.

Pulsbreddemodulasjonen PWM
Den mest brukte formen for pulsmodulering er pulsbreddemodulasjon. Et PWM-signal har en konstant frekvens, men en skiftende driftssyklus, som kan oppfattes som en skiftende bredde på høyt nivå. En PWM-modulator består vanligvis av et register, en binærteller og en digital størrelseskomparator. En n-bit binærteller teller 2ⁿ-verdier før overføring. Ved en modulator klokkefrekvens på f_clock = 1 / t_clock Hz, er bærefrekvensen en konstant verdi f_carrier = f_clock / 2ⁿ Hz. n-bit-registeret kan lagre hvilken som helst binær verdi fra 0 til (2ⁿ) - 1.

Komparatoren sender ut et høyt nivå så lenge tellerverdien er lavere enn registerverdien og et lavt nivå for resten av bæreperioden. Det høye pulslengdeområdet er t_clock x [0 til (2ⁿ) - 1] sekunder, og driftssyklusen er også modulert med et område på [0 til (2ⁿ) - 1] med en oppløsning på 2^(-n). Figur 2 viser et eksempel på åtte PWM-pulssignaler med n = 3, en oppløsning på 1/8 og hver linje med en annen driftssyklus (7/8 for MSB, 6/8 for bit 6, ..., 1/8 for bit 1, 0 for LSB).

En digital sinusgenerator brukes til å demonstrere modulatorens oppførsel. Digitale verdier tilnærmet en sinusfunksjon mater PWM-inngangen; driftssyklusen til det modulerte signalet og det demodulerte signalet tilnærmes også en sinusfunksjon. Figur 3 viser tilsvarende oscilloskopvisning.

Modulering av pulsdensiteten
En annen populær pulsmodulasjonsteknikk er pulsdensitetsmodulering (PDM), også kjent som deltamodulering. PDM modulerer driftsfaktoren. En PDM-modulator består vanligvis av et register og en adderer med akkumulator og bæreutgang.

N-bit-registeret kan lagre hvilken som helst binær verdi fra 0 til (2ⁿ) - 1. I hver klokkeperiode blir registerinnholdet lagt til den akkumulerte verdien. Bærebiten, dvs. overløpet av n-bit-akkumulatoren, er det utgangsmodulerte signalet. Det er høyt så ofte som akkumulatoren flyter over. Den høye pulsen er bare 1 klokkeperiode lang, men flere høye pulser kan følge hvis registerinnholdet er nær det maksimale. Det sammenkoblede høye pulslengdeområdet er klokken x [0 til (2ⁿ) - 1], og driftssyklusen kan moduleres i området [0 til (2ⁿ) - 1], med en oppløsning på 2 (^-n).

Forskjellen mellom PDM og PWM er måten de høye pulsene fordeler seg over tid. Figur 4 viser et eksempel på forskjellige PDM-signaler med n = 3, en oppløsning på 1/8 og hver linje med en annen driftssyklus (7/8 for MSB, 6/8 for bit 6, ..., 1/8 for bit 1, 0 for LSB).

Ved de høyeste og laveste driftssyklusene er PDM-signalene identiske med PWM-signalene. For middels driftssyklusverdier er signalene forskjellige. Signal 2 har samme driftssyklus som PWM-signalet, men de to klokkeperiodene med det modulerte signalet «high» er ikke side om side, slik det er tilfelle med PWM-signalet. I stedet fordeles de i rekkefølgen av de 8 klokkeperiodene.

Resultatet er at den tilsynelatende bærefrekvensen for det samme PWM-signalet er dobbelt så høyt som PWM-signalet. Den største forskjellen er i mellomskalaen (signal 4). Den har samme driftssyklus som det tilsvarende PWM-signalet, men i stedet for 4 x t_clock tilstøtende høye og lave verdier, veksler det for hver klokke. Dette resulterer i en tilsynelatende bærerfrekvens som er fire ganger høyere enn PWM.

Dette har to fordeler: For det første har spektralbærerkomponentene mye høyere frekvenser, noe som gjør lavpasfilteret mer effektivt, og for det andre har hver modulert verdi en annen tilsynelatende bærerfrekvens. Den høyfrekvente energien fordeles i spekteret, noe som gjør det lettere å dempe støynivået.

Eksperimentet vist i figur 5 bruker samme sinusgenerator som ovenfor, men mater PDM-modulatoren. Både pulsvarighet og frekvensendring og sinus-tilnærmingen er mye bedre.

PDM-modulatorens klokkefrekvens i figur 6 økes, noe som forbedrer den demodulerte sinusfunksjonen ytterligere.

Ved å bruke Digilents Analog Discovery 2 USB-multifunksjonsinstrument og WaveForms-programvare, kan oppførselen til de forskjellige pulsmoduleringstyper lett forstås. Gå til https://projects.digilentinc.com eller https://projects.digilentinc.com/ian-etheridge/pulse-modulation-techniques-with-the-analog-discovery-2-a90a4b for detaljerte instruksjoner.

Analog Discovery 2 er tilgjengelig hos Elfa Distrelec, den autoriserte Digilent-distributøren i Norge.