Điều chế độ rộng xung là gì?

Điều chế độ rộng xung (PWM) là một thuật ngữ hoa mỹ để mô tả một loại tín hiệu số. Điều chế độ rộng xung được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm mạch điều khiển tinh vi. Một cách phổ biến mà chúng tôi sử dụng chúng tại SparkFun là để điều khiển độ mờ của đèn LED RGB hoặc để điều khiển hướng của một servo . Chúng tôi có thể đạt được nhiều kết quả trong cả hai ứng dụng vì điều chế độ rộng xung cho phép chúng tôi thay đổi thời gian tín hiệu ở mức cao theo cách tương tự. Trong khi tín hiệu chỉ có thể ở mức cao (thường là 5V) hoặc mức thấp (mặt đất) tại bất kỳ thời điểm nào, chúng tôi có thể thay đổi tỷ lệ thời gian tín hiệu ở mức cao so với khi tín hiệu ở mức thấp trong một khoảng thời gian nhất quán.

Móng vuốt robot được điều khiển bằng động cơ servo sử dụng điều chế độ rộng xung

Chu kỳ nhiệm vụ

Khi tín hiệu cao, chúng ta gọi đây là "on time". Để mô tả lượng "on time", chúng ta sử dụng khái niệm chu kỳ nhiệm vụ. Chu kỳ nhiệm vụ được đo bằng phần trăm. Chu kỳ nhiệm vụ phần trăm mô tả cụ thể phần trăm thời gian tín hiệu kỹ thuật số bật trong một khoảng thời gian hoặc khoảng thời gian. Chu kỳ này là nghịch đảo của tần số dạng sóng.

Nếu một tín hiệu số dành một nửa thời gian bật và một nửa thời gian tắt, chúng ta sẽ nói rằng tín hiệu số có chu kỳ hoạt động là 50% và giống với sóng vuông lý tưởng. Nếu tỷ lệ phần trăm cao hơn 50%, tín hiệu số dành nhiều thời gian hơn ở trạng thái cao hơn trạng thái thấp và ngược lại nếu chu kỳ hoạt động nhỏ hơn 50%. Sau đây là biểu đồ minh họa ba tình huống này:

Ví dụ về chu kỳ nhiệm vụ 50%, 75% và 25%

Chu kỳ hoạt động 100% sẽ giống như cài đặt điện áp ở mức 5 Vôn (cao). Chu kỳ hoạt động 0% sẽ giống như nối đất tín hiệu.

Ví dụ

Bạn có thể kiểm soát độ sáng của đèn LED bằng cách điều chỉnh chu kỳ hoạt động.

PWM được sử dụng để điều khiển độ sáng của đèn LED

Với đèn LED RGB (đỏ, xanh lá cây, xanh lam) , bạn có thể kiểm soát lượng màu bạn muốn có trong hỗn hợp màu bằng cách làm mờ chúng theo nhiều mức độ khác nhau.

Cơ bản về pha trộn màu sắc

Nếu cả ba đều bật với lượng bằng nhau, kết quả sẽ là ánh sáng trắng có độ sáng khác nhau. Màu xanh lam pha đều với màu xanh lá cây sẽ tạo ra màu xanh ngọc. Một ví dụ phức tạp hơn một chút, hãy thử bật hoàn toàn màu đỏ, và màu xanh lá cây ở chu kỳ làm việc 50% và màu xanh lam tắt hoàn toàn để có được màu cam.

PWM có thể được sử dụng để trộn màu RGB

Tần số của sóng vuông cần phải đủ cao khi điều khiển đèn LED để có hiệu ứng làm mờ thích hợp. Sóng có chu kỳ làm việc 20% ở tần số 1 Hz sẽ cho thấy rõ ràng rằng đèn đang bật và tắt đối với mắt bạn trong khi đó, chu kỳ làm việc 20% ở tần số 100 Hz trở lên sẽ chỉ trông mờ hơn là sáng hoàn toàn. Về cơ bản, chu kỳ không được quá lớn nếu bạn muốn có hiệu ứng làm mờ bằng đèn LED.

Bạn cũng có thể sử dụng điều chế độ rộng xung để điều khiển góc của động cơ servo gắn vào một thứ cơ học như cánh tay robot. Servo có trục quay đến vị trí cụ thể dựa trên đường điều khiển của nó. Động cơ servo của chúng tôi có phạm vi khoảng 180 độ.

Tần số/chu kỳ là đặc thù để điều khiển một servo cụ thể. Một động cơ servo thông thường dự kiến ​​sẽ được cập nhật sau mỗi 20 ms với xung từ 1 ms đến 2 ms, hay nói cách khác, giữa chu kỳ nhiệm vụ 5 và 10% trên dạng sóng 50 Hz. Với xung 1,5 ms, động cơ servo sẽ ở vị trí 90 độ tự nhiên. Với xung 1 ms, servo sẽ ở vị trí 0 độ và với xung 2 ms, servo sẽ ở vị trí 180 độ. Bạn có thể có được toàn bộ phạm vi chuyển động bằng cách cập nhật servo với một giá trị ở giữa.

PWM được sử dụng để giữ động cơ servo ở góc 90 độ so với giá đỡ của nó

Tài nguyên và tiến xa hơn

Điều chế độ rộng xung được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là để điều khiển. Bạn đã biết rằng nó có thể được sử dụng để làm mờ đèn LED và điều khiển góc của động cơ servo và bây giờ bạn có thể bắt đầu khám phá các ứng dụng khả thi khác. Nếu bạn đã sẵn sàng để bắt đầu viết mã ngay lập tức và có Arduino, hãy xem ví dụ về mã hóa PWM tại đây .

‍