Что такое шим модуляция звука
Перейти к содержимому

Что такое шим модуляция звука

  • автор:

Что такое ШИМ? Как широтно-импульсная модуляция используется в автоматизации?

Широтно-импульсная модуляция, или PWM (pulse-width modulation) — это тип цифрового сигнала, который модулируется для управления мощностью, скоростью и/или положением устройств в автоматизированной системе. PWM работает путем создания серии импульсов включения и выключения, которые подаются на устройство, при этом время включения или рабочий цикл импульса определяет количество подаваемой мощности.

Широтно-импульсная модуляцияДля чего используется?

Широтно-импульсная модуляция может быть использована для множества различных применений, включая управление двигателями, регулировку яркости освещения и даже управление источниками питания. Сигнал, промодулированный по ширине импульса, также может применяться для регулирования скорости двигателей или других устройств без изменения уровня напряжения. Таким образом, ШИМ становится идеальным вариантом для управления широким спектром устройств в системах автоматизации.

Принцип работы

Принцип работы ШИМ-сигнала заключается в посылке регулярных импульсов через определенные интервалы времени с изменяющимся рабочим циклом (процентное соотношение времени «включения»). В зависимости от рабочего цикла на управляемое устройство подается больше или меньше энергии, что влияет на его скорость или положение в автоматизированной системе. Путем увеличения или уменьшения определенных параметров, таких как частота, амплитуда и длительность импульсов, эти параметры могут быть настроены в соответствии с любыми требованиями приложения и обеспечивают точный контроль над выходом устройства без изменения уровня напряжения. Широтно-импульсная модуляция является важным и широко используемым методом управления выходной мощностью в различных приложениях. Она может быть реализована с помощью цифровых или аналоговых систем управления. В цифровом варианте сигналы генерируются с помощью программных алгоритмов, которые определяют ширину импульсов; в то время как в аналоговом PWM сигналы генерируются аппаратными компонентами, такими как транзисторы и конденсаторы, которые создают желаемую ширину импульсов без необходимости программирования. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки, но при правильной реализации оба обеспечивают надежную работу с низким уровнем искажений.

Как работает ШИМ-контроллер в источнике питания?

ШИМ-контроллер работает путем переключения между различными уровнями электрического тока в зависимости от того, какой тип выхода требуется от системы, которую он питает — постоянный ток (DC) или переменный ток (AC). Контроллер регулирует это переключение с помощью широтно-импульсной модуляции, которая посылает регулярные импульсы через определенные промежутки времени с различными рабочими циклами (процентное время «включения»). Таким образом, различные уровни энергии могут подаваться к любому устройству, нуждающемуся в ней, сохраняя при этом стабильность системы в целом — т. е. без электрических скачков, которые могут повредить компоненты в дальнейшем.

Применение широтно-импульсной модуляции

Широтно-импульсная модуляция имеет множество вариаций по практическому использованию в различных отраслях промышленности, таких как авиация, автомобилестроение, робототехника и т. д. Некоторые возможности применения ШИМ-сигнала: управление скоростью и положением двигателя, регулирование яркости света, регулирование напряжения переменного и постоянного тока, обеспечение регулируемых профилей ускорения и замедления для двигателей, снижение электромагнитных помех, обеспечение точной передачи сигналов на большие расстояния и т. д.. Данный вид модуляции является бесценным инструментом, когда речь идет о системах автоматизации, требующих точного контроля над своими выходами без ущерба для стабильности в целом.

Применение широтно-импульсной модуляции в автоматизации

Применение широтно-импульсной модуляции в автоматизации

В системах автоматизации широтно-импульсная модуляция имеет множество преимуществ благодаря своей способности точно регулировать выходные параметры, не оказывая слишком сильного влияния на уровень напряжения. Управляющие ШИМ-сигналы широко используется во многих типах машин, включая роботизированные манипуляторы и роботизированные транспортные средства, а также бытовую технику, такую как стиральные машины, духовые шкафы и т. д.. Широтно-импульсная модуляция часто используется для получения синусоидальной формы волны. Она также может быть использована для регулирования работы инвертора. Помимо автоматической регулировки скорости и положения двигателя с помощью цифровых сигналов, они также обеспечивают регулируемые профили ускорения и замедления, что делает их идеальными при работе с хрупкими компонентами, где необходимо избегать резких изменений. Среди других преимуществ — снижение электромагнитных помех, повышение эффективности, усиление мер безопасности благодаря надежным методам обнаружения неисправностей, большая точность при передаче сигналов на большие расстояния и многое другое. В заключение следует отметить, что широтно-импульсная модуляция — это метод контроля и регулирования количества энергии, подаваемой на устройство, путем изменения ширины электрического импульса. Данный метод применяется в автоматизации и робототехнике, от управления двигателями до обеспечения точного контроля над системами освещения. PWM способен обеспечить точное регулирование при минимальных потерях энергии по сравнению с традиционными методами. В каталоге UnitMC вы найдете актуальные устройства и системы АСУ ТП. Подробную информацию и консультацию можно получить у наших сотрудников. Другие статьи Четыре устройства, использующие ШИМ для автоматизации

Что такое шим модуляция звука

  • ОСНОВОПОЛАГАЮЩАЯ СХЕМОТЕХНИКА
  • КОНЦЕПЦИЯ HIGH-END ЗВУКА
  • HI-END УСИЛИТЕЛЬ УСТРОЙСТВО | ЦЕНА
  • АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
  • КАРТА САЙТА
  • О КОМПАНИИ & КОНТАКТЫ

Режим работы Класс С — это работа транзистора и усилителя при маленькой амплитуде напряжения запирания ниже, чем напряжение смещения. В этом случае амплитуда звукового сигнала меньше, чем напряжение смещения. В таком состоянии транзистор проводит только верхнюю часть положительной полуволны, что сильно искажает сигнал. Поэтому в аудио усилителях, этот класс не применяется. Такой режим работы транзисторов имеет высокий КПД (около 85%).

Режим работы Класс D — это усилители сигнала с широтно — импульсной модуляцией (ШИМ) и с частотно — импульсной (ЧИМ), в которых звуковой аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму, а в выходном каскаде происходит обратное преобразование.

В первом случае ширина синтезированных импульсных сигналов пропорциональна амплитуде входного (аналог) сигнала, во втором — изменяемой величиной является частота импульсов. В любом варианте при изготовлении усилителя мощности класса «D» получаем высокий коэффициент нелинейных искажений, обусловленный дополнительными процессами конвертации усиливаемого сигнала.

Для того, чтобы усилитель мощности перевести в класс «D» необходимо создать ключевой режим работы выходных транзисторов — замыкать и размыкать их. Для этого, на базу (затвор) транзистора подается ШИМ-сигнал обработанный периодической последовательностью прямоугольных импульсов (прямоугольный сигнал). Этот прямоугольный сигнал проходя через транзистор, отпирает и запирает его. В результате импульсного процесса (на короткое время) создаётся рабочая точка выходных транзисторов. Поэтому ток через транзисторы не потечёт если нет сигнала, это вызывает искажения звука свойственные классу «В».

Мостовой усилитель на микросхеме класс D

Известно, что многозадачные электронные процессы и скорость переключения транзисторов не проходят мгновенно, это изменяет форму сигнала и увеличивает длину пути его прохождения. К тому же, интермодуляционные искажения звука в усилителях ШИМ имеют прямую зависимость, от частоты модуляции к частоте усиливаемого сигнала, что ограничивает их использование в звуковом диапазоне.

Класс «D» имеет одно неоспоримое преимущество высокий КПД — 90%.
Усилитель для сабвуфера — вот реальное применение класса «D» в аудио.
ШИМ-сигнал применяется для записи формата аудиодисков – SACD. Но на практике всплывают существенные недоработки этого нового формата.

Широтно-импульсная модуляция — это такой способ управления прибором, когда путем регулировки длительности импульса, по отношению к его периоду, достигают нужного среднего значения, которое меньше амплитудного.

Например: есть источник питания напряжением 100 вольт, и нагревательный элемент рабочим сопротивлением 10 Ом. Если подключить прибор напрямую к источнику, то получится выделение тепла мощностью 1000 Ватт, и так будет происходить постоянно, пока прибор не будет отключен от источника. Но что, если нужно получить только 500 Ватт, или, скажем, 200 Ватт, имея все тот же источник и все ту же нагрузку. Здесь на помощь как раз и может придти широтно-импульсная модуляция, или сокращенно ШИМ. Можно между источником и приемником поставить некий управляемый выключатель, который будет то подключать нагрузку к источнику, то отключать ее, причем происходить это будет так, чтобы длительность включения была равна длительности выключения, и так нужно повторять много раз, тогда нагрузка будет запитана только в течение половины всего рабочего времени, и мы получим, как в нашем примере, не 1000 Ватт тепла, а 500 Ватт, как и было нужно. Если теперь длительность включения сделать в пять раз меньше периода импульса, (сумма длительности включения и длительности выключения в каждом цикле — это период импульса) то и средняя мощность нагрузки будет в пять раз меньше, то есть 200 Ватт. Это весьма грубый пример, дающий общее представление о принципе.

Аналогичным образом происходит управление элементами электронных схем, где посредством специальных микросхем — ШИМ-контроллеров, задается необходимый режим широтно-импульсной модуляции для управления силовыми ключами, примером такого настраиваемого ШИМ-контроллера может послужить широко распространенная на рынке радиодеталей микросхема TL494.

  • Микросхема TL494, она же KA7500B и КР1114ЕУ4
  • Принцип работы МДП-структур
  • Полевые MOSFET транзисторы | влияние на звук
  • Биполярные NPN транзисторы для усилителя
  • Каскодные транзисторные усилители и их схемы
  • Режимы работы усилителя на транзисторах класс: A, B, A/B, C, D
  • Режим работы транзистора и усилителя класс A
  • Режим работы транзистора и усилителя класс В, A/B
  • Начинаем работать со звуковой микросхемой аР89хх

Баннер - Усилитель мощности Grimmi

Лучшее сочетание вакуумных и полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.

символ - вакуумная радиолампа

Мы не создаём иллюзий,
Мы делаем звук живым!

Что такое широтно-импульсная модуляция? Использование ШИМ в электронной музыке

Создание электронной музыки

Широтно-импульсная модуляция – это определённый способ кодировки сигнала, при котором изменяется ширина длительностей рабочего сигнала.

Довольно сложное понятие для простого пользователя.

Давайте рассмотрим его более подробно. Я не буду вдаваться в нюансы электроники, а попробую с помощью простых наглядных примеров выделить основное.

Сразу хочу отметить, что статья предназначена именно для музыкантов. В ней я покажу, где применяется широтно-импульсная модуляция и как её использовать.

В прошлых своих статьях « Модуляция звука и её применение » и « FM/RM синтез – интересное применение модуляции » я уже говорил о таких распространённых видах модуляции как амплитудная, частотная и кольцевая.

Чем же отличается широтно-импульсная модуляция и в чём её суть?

ШИМ или PWM (Pulse-Width Modulation) изменяет ширину импульса сигнала при неизменном его периоде.

На рисунке ниже представлен сигнал стандартной прямоугольной формы, где период T = t1 + t2 и t1 = t2.

широтно-импульсная модуляция

При использовании широтно-импульсной модуляции, происходит следующее. Период T остаётся прежним, а импульс t1 уменьшается, t1 < t2 либо увеличивается t1 >t2. Смотрим на рисунки.

широтно-импульсная модуляцияширотно-импульсная модуляция

Теперь давайте посмотрим как же используется ШИМ на практике.

Для примера я буду пользоваться программой FL Studio и VST синтезатором Rob Papen Predator.

Откроем программу и на один из каналов пошагового секвенсора загрузим VST плагин Predator. Для этого выберем CHANNELS – Add one – Predator.

широтно-импульсная модуляция

После этого выберем пресет по умолчанию и в области настройки первого осциллятора выберем форму волны SQUARE (прямоугольная).

широтно-импульсная модуляция

Под регулятором waveform есть две ручки, отвечающие за использование ШИМ:

– PWM – степень модуляции. Насколько сильно будет уменьшаться и увеличиваться параметр t1.

– Speed – скорость изменения импульса. Насколько быстро импульс t1 будет менять своё значение от минимального к максимальному.

широтно-импульсная модуляция

ШИМ не используется

широтно-импульсная модуляция

Минимальное значение t1

широтно-импульсная модуляция

Максимальное значение t1

Экспериментируя с этими параметрами можно добиться очень интересного звучания. Я настроил параметры ШИМ следующим образом.

В дополнении ко всему я использовал сайд-чен для придания звуку большей мощи и ритмичности. Вот что вышло.

Прослушать только бас

Прослушать бас с бочкой

Как по мне очень неплохо и довольно быстро.

Итак, в этой статье я вкратце рассказал о широтно-импульсной модуляции и как её можно использовать в электронной музыке.

Экспериментируйте друзья и удачи вам в творчестве!

Не забудьте поделиться информацией с друзьями, нажав на социальные кнопки ниже!

Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция?

Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.

Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.

Способы регулирования напряжения

Примером линейного способа может послужить переменный резистор. При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.

Линейный способ регулирования напряжения

В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ. В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation.

Импульсный способ регулирования напряжения

Принцип импульсного регулирования

Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.

Упрощенная схема импульсного блока питания

Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.

Широтно-импульсное регулирование ШИР

Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:

Отношение времени импульса к периоду T называют коэффициентом заполнения D. А величина, обратная ему называется скважностью:

На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.

Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

Схема импульсного регулирования напряжения

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

Принцип ШИР Широтно-импульсное регулирование

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Принцип ШИМ Широтно-импульсное регулирование

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.

Инвертор напряжения с ШИМ

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

ШИМ Широтно-импульсная модуляция

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.

Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Электроника для начинающих

Еще статьи по данной теме

Транзисторный ключ

Как читать электрические схемы

Акустический выключатель света

Резисторы | Маркировка резисторов

6 комментариев

Здравствуй Дмитрий! Рад, что продолжаешь делать новые уроки, у тебя, это отлично получается. Продолжай в том же духе.
Урок по ШИМ хороший, как всегда, но явно требуется продолжение. А именно, как реализуется ШИМ в микроконтроллерах, программно и аппаратно. Это очень актуальная тема для начинающих.
По поводу твоего сборника уроков по радиоэлектронике, согласен полностью, что информацию нужно собирать на просторах Ютуба, как говорят, » с миру по нитке». Но, содержание, твоего сборника, меня немного насторожило. Вот например, усилитель к174ун4, его наверно и в продаже нет. В свое время, я пытался собрать на этой мс усилок, но получил генератор, сильно капризная, чють, что не так, сразу самовозбуждается. Есть же неплохой усилитель на TDA2004, 2005(стерео), почему бы о ней не рассказать. По поводу резисторов, конденсаторов, транзисторов и диодов, то опытные радиолюбители давно перешли на SMD компоненты. Преимущества на лицо. Не нужно сверлить отверстия в печатной плате, компактно, стоят дешево (на али). Да ,и не мешало бы, в сборник уроков включить рекомендации, как самому нарисовать и распечатать плату. Ну это конечно автору решать, я лишь поделился своими мыслями.
Лично меня интересуют микроконтроллеры, все, что с ними связано. Вот, где Дмитрий, можно по настоящему развернуться. Я учусь программировать МК AVR, работаю с Atmel Stud!o7 , пишу на С, и считаю, что это самое перспективное направление. В будущем хотел бы заняться STM, но знаний, пока маловато. Твои уроки по МК, я смотрел с удовольствием, даже распечатал их в небольшую брошюрку, всегда под рукой если что то подзабыл, открыл, почитал, вспомнил. Очень удобно. Жаль, что нет продолжения уроков по микроконтроллерам AVR. Единственный канал на Ютубе по МК, который действительно раскрывает все аспекты программирования микроконтроллеров на си, это канал «narod stream», но смотреть его тяжело, очень специфически даёт материал, нужно пересматривать несколько раз, прежде чем поймёшь о чем речь. Ну может, автор на ,это и расчитывал.
Удачи тебе Дмитрий и новых уроков мы от тебя ждём!
Да и кстати, по работе в Atmel Studio, вообще очень скудная информация на русском. Можно сказать, что уроков , по настоящему раскрывающих эту мощную программу, нет, так скудные, обрывочные уроки. 15.01.2019 Ответить

Спасибо вам за вашу работу. Хотел бы предложить вам идею. Можно сделать такие видео, там например как очистить старые платы(разные способы) +как сделать из этих же плат новые(травление) и на них схемы собрать. Если вам идея понравилась скажите, если нет то тоже скажите. 21.01.2019 Ответить

Дмитрий Забарило

Здравствуйте. Идея хорошая, только я ее не до конца понимаю. Точнее, не понимаю саму реализацию. 22.01.2019 Ответить

Дмитрий, ваши ролики стали для меня спасением в моем изучении радиотехники!
Решил обратиться к вам, может что подскажите или снимите ролик. По вашим видео начал разрабатывать схему ивентора с синусом изменяемой частоты от 0 до 20 кГц. С генератором треугольной формы разобрался, а с синусом (задаюший сигнал) оказалось сложней. Микрасхемы либо не способны выдавать нужную частоту, либо слабый сигнал, либо сильно искаженный сигнал. Есть ли какое-то решение этой проблемы?
Благодарю! 18.03.2020 Ответить

Максим сергеевич Кудакаев

Здравствуйте вопрос
как называется величина, позволяющая качественно характеризовать ШИМ 29.05.2020 Ответить

Напряжение на дискретном выходе Ардуино 5 вольт . Является ли напряжение в 5 вольт ШИМ напряжением , при чем усредненным напряжением . И каково амплитудное напряжение и как его посчитать или измерить ?
Спасибо 08.01.2021 Ответить

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *