TD PWM

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TD PWM

La modulation de largeur d’impulsion (Pulse Width Modulation) est utilisée pour la commande en puissance d’éclairage, de moteurs ou la transmission à distance de signaux analogiques.

Le modulateur PWM peut être réalisé de manière analogique ou par les TIMER d’un microcontrôleur.

La figure 1 donne l’organisation fonctionnelle d’un modulateur PWM analogique :

Fig. 1 – Modulateur PWM analogique.

Le signal informationnel est comparé avec un signal triangulaire dont la fréquence est nettement supérieure (généralement plus de 20 fois).

La sortie du comparateur produit un signal « logique » dont les variations de la valeur moyenne suivent celles du signal informatif.

Dans l’exemple de la figure 2 ci-dessous, on peut voir en correspondance les trois signaux : - Vin, le signal informationnel (Vin est ici un signal sinusoïdal),

- Vtri, le signal triangulaire,

- Vpwm, le signal modulé en largeur d’impulsion (PWM).

La sortie PWM est à l’état haut lorsque le signal Vin est plus grand que le signal triangulaire.

La valeur moyenne du signal PWM est celle de Vin.

Fig. 2 – Exemple de modulation PWM d’un signal sinusoïdal.

Oct 21, 2015 Transient Response

0 25.0 50.0 75.0 1 0 0

time (us) 5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

0

V (V)V (V)

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

0.0

V (V)V (V)

/VTRI /VIN /VTRI /VIN

/VPWM

time (us)

User: jmdutertre Date: Oct 21, 2015 6:49:52 PM CEST SIMUL_pwm PWM schematic : Oct 21 18:43:54 2015 23

+ Comparateur

-

Générateur de signal triangulaire

Ftri >> Fmax

Signal informationnel

Fmin < Fs < Fmax Signal modulé PWM

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1. Présentation du générateur PWM Schéma structurel :

donné figure 3 suivante.

Rq : MAX942 : Comparateur de tensions. MCP6022 : AOP Rail to Rail. DataSheet en annexes.

Fig. 3 – Schéma structurel du générateur PWM.

Schéma fonctionnel de l’oscillateur carré/triangle :

donné figure 4 suivante.

Fig. 4 – Schéma fonctionnel de l’oscillateur carré/triangle.

1. Repérer ces trois fonctions sur le schéma structurel de la figure 3.

IC=2.5

5 6

7

84

U1:B

MCP6022

R3

100k C1

3.3nF

R1

2.2k

R2

68k

+5v

+5v +2.5v

V1

V2

3

2 1

84

U2:A

MAX942 +5v

Ve

VS R4

10k

C2

10nF Vsm Ve

AMP=1 FREQ=1k OFFSET=2.5 PHASE=0 THETA=0

5 6

7

84

U2:B

MAX942

Vsm

Comparateur à hystérésis

Intégrateur

Référence de tension

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2. Comparateur à hystérésis U2B :

2.1. Relever sur le datasheet les tensions de sorties typiques et max du MAX942

2.2. Les valeurs typiques seront utilisées dans ce TP, en déduire Vsat+ et Vsat-

2.3. Compléter la caractéristique de transfert V1=f(V2)

3. Intégrateur U1

L’intégrateur est réalisé avec un AOP MCP6022.

3.1. Rechercher dans le datasheet les tensions min et max en sortie

3.2. Ces tensions permettent elles un fonctionnement correct de l’AOP ? Vsat+

Vsat-

V1

V2

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C. Dupaty, J.-M. Dutertre, B. Dhalluin - www.emse.fr/~dutertre/enseignement.html 2021 4 3.3 Tracer en correspondance les oscillogrammes de V1 et V2 sur deux périodes.

Dans un premier temps vous ne préciserez que les valeurs des tensions, les durées seront calculées ensuite

3.4. Calculer la durée des rampes montantes et descendantes.

En déduire la fréquence théorique du signal triangulaire.

4. Prise en compte des caractéristiques technologiques

Le temps de propagation d’un comparateur (propagation delay) est le temps de retard entre une variation brutale de l’entrée et sa répercussion en sortie. Ce temps est donné pour une réponse à un échelon.

Le datasheet du MAX942 donne des oscillogrammes indiquant les temps de propagation pour les passage bas-haut et haut-bas de la sortie.

4.1. Rechercher le « Propagation delay TPD+» du comparateur MAX942 :

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C. Dupaty, J.-M. Dutertre, B. Dhalluin - www.emse.fr/~dutertre/enseignement.html 2021 5 Une expérimentation donne l’oscillogramme de la figure 5, ci-dessous.

4.2. Repérer les caractéristiques précédentes et donner la fréquence d’oscillation effective du générateur de triangles

Voie 1 :

V2 200mV/div Voie 2 :

V1 1V/div Base de temps :

100 ns /div

Fig. 5 – Capture d’oscilloscope donnant Vcomp et Vtri (la ligne pointillée horizontale indique la tension 0,95 V).

4.3. La précision sur la valeur de la fréquence est-elle un paramètre important d’un modulateur PWM ?

5. Modulation PWM

On compare maintenant le signal triangulaire à un signal informatif ve sinusoïdal de fréquence 100Hz.

Une simulation donne le résultat présenté figure 6.

Avec Ve en bleu, Vs le signal PWM en rouge, et Vsm le signal PWM après filtrage passe-bas en vert.

Fig. 6 – Simulation d’une modulation PWM.

F= ?

0,95 V V1 (Vcomp)

V2 (Vtri)

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C. Dupaty, J.-M. Dutertre, B. Dhalluin - www.emse.fr/~dutertre/enseignement.html 2021 6 5.1. Pourquoi applique-t-on une valeur moyenne de 2,5 V au signal Ve ?

5.2. Quelle est l’amplitude maximale de Ve permettant une modulation sans saturation ?

5.3. Le signal vs (en vert) est la sortie du filtre passe bas R4,C2, calculer la fréquence de coupure du filtre.

5.4 Tracer le diagramme de Bode (gain) de ce filtre, repérer les fréquences de Ve et V2.

5.5 Quel est le rapport d’amplitude entre Ve et V2 ?

5.6. Expliquer la forme (amplitude, perturbations et déphasage) du signal Vsm :

dB deg

Hz (log)

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