Modulador e demodulador PWM

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1 Modulador e demodulador PWM

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3 3 Índice 1 - Introdução Modulação PWM Descrição do circuito Modulador Condicionamento de entrada PWM Driver Alimentação Demodulador Driver Filtro Condicionamento de saída Alimentação Montagem Modulador Demodulador Fonte de alimentação Ajustes e pontos de medição Ajustes no modulador Ajustes no demodulador Pontos de medição no modulador Pontos de medição no demodulador Apêndices I - Variações de alguns sinais II - Layout das placas III - Autores e contato... 18

4 4 1 - Introdução Este artigo descreve o projeto e implementação de um par, modulador e demodulador PWM. Este par foi inicialmente projetado para transmitir um sinal de variação lenta, praticamente DC, a uma distância de 200m em ambiente ruidoso. Devido as características do sinal a freqüência de corte do demodulador é de aproximadamente 10Hz. Com base nas informações apresentadas o demodulador poderá ser facilmente modificado para adequar-se as outras necessidades. 2 Modulação PWM Neste tipo de modulação o ciclo ativo do sinal modulado, ou em outras palavras a largura do pulso, é modificado de acordo com a amplitude do sinal modulador. Por ciclo ativo entende-se a porção de tempo em que o sinal permanece em nível alto durante um período, por exemplo um sinal com 70% de ciclo ativo e período de 1s, permanece 0,7s em nível alto e 0,3s em nível baixo, figura 1: Figura 1 Forma do sinal PWM. Existem várias formas de se implementar uma modulação PWM, neste documento será apresentado apenas o método analógico, maiores informações sobre os outros métodos podem ser encontradas na literatura específica ou em páginas na Internet. Na figura a seguir á apresentado o diagrama em blocos de um modulador PWM analógico. Figura 2 Método analógico.

5 5 De acordo com a figura anterior, observa-se que o sinal PWM é obtido através da comparação do sinal modulante com uma onda triangular. O sinal modulante pode ser um nível DC ou outra forma de onda qualquer, o importante é garantir que a freqüência da onda triangular seja bem superior a maior componente de freqüência do sinal modulante. Na figura 3 é apresentada a comparação descrita acima. Figura 3 Comparação para obtenção do sinal PWM. Na figura acima, observa-se que sempre que o sinal modulante é de maior intensidade que a onda triangular a saída do PWM vai a nível alto e permanece neste estado até que esta condição seja desfeita. Apesar de não ser o caso da figura acima, a comparação contrária também pode ser realizada, ou seja, sempre que a onda triangular for maior que o sinal modulante o PWM vai a nível alto, para tal basta inverter as entradas do comparador. O gerador de onda triangular, é implementado através da integração do sinal proveniente de um oscilador biestável. O sinal modulante passa por um estágio de condicionamento antes de ser aplicado ao comparador.

6 6 3 Descrição do circuito 3.1 Modulador O circuito do modulador foi divido em blocos para melhor entendimento do mesmo. O diagrama esquemático é apresentado na figura Condicionamento de entrada O sinal a ser aplicado na entrada do modulador pode ter sua amplitude variando entre os extremos de 5V a +12V. Inicialmente é aplicado um ganho de 0,28 neste sinal, através do amplificador inversor IC1A e os resistores R1 e R2, posteriormente é realizado um offset no sinal, através de outro amplificador inversor com ganho unitário, IC1B e os resistores R3 e R4. Neste ponto tem-se o sinal denominado SNL1. Este condicionamento é necessário para evitar a saturação do comparador no bloco PWM. O ajuste de offset de SNL1 é realizado através do trimpot R PWM O sinal PWM, de acordo com o dito anteriormente, é obtido através da comparação do sinal modulante, neste caso após o condicionamento denominado SNL1, e uma forma de onda triangular. Para obter a onda triangular é realizada a integração do sinal na saída de um oscilador biestável. Considerando a figura 4 o biestável é composto por IC2B, R9 e R10, e o integrador por IC2A, C1 e R8. A freqüência da onda triangular é ajustada em R8. A saída do integrador é aplicada em IC2C, amplificador inversor com ganho igual a 2, neste ponto também é realizado o offset deste sinal, o que permite um ajuste dos limites do ciclo ativo do PWM através de R15. Finalmente, a saída de IC2C, é aplicada na entrada não inversora do comparador, IC2D, e o sinal modulador, SNL1, na entrada inversora. Desta forma, sempre que o valor do sinal modulador for inferior ao da onda triangular a saída do comparador estará em nível alto Driver Uma vez obtido o sinal PWM este é aplicado na base de T2 através de R13, a função deste transistor é fazer o acoplamento entre a saída de IC2D e o transceptor MAX481, IC5. Observa-se que o sinal PWM é transmitido segundo as características elétricas do padrão RS485, a intenção é conseguir uma alta imunidade a ruído em longas distâncias, o que é conseguido através da forma diferencial com o qual o sinal é transmitido. Ressalta-se que a única semelhança entre este modulador e o padrão de transmissão RS485 resume-se as características elétricas de transmissão Alimentação As tensões necessárias para o funcionamento dos blocos anteriores são 12V, +5V e +12V, estas tensões são obtidas através dos reguladores de tensão IC4, IC6 e IC3 respectivamente. A alimentação deve ser feita através de uma fonte que forneça 15V e +15V. Os capacitores C2 a C7 e C14 tem a função de desacoplamento. Os led s D1 a D3 indicam a presença de alimentação.

7 Figura 4 Diagrama esquemático do modulador. 7

8 8 3.2 Demodulador Assim como no caso anterior o demodulador foi dividido em blocos, figura Driver O sinal proveniente do modulador, é aplicado em IC5, MAX481. Este transceptor, neste caso, faz a conversão do sinal diferencial, gerado pelo MAX481 do modulador, em um sinal PWM. Desta forma o sinal PWM, transmitido de forma diferencial, é recuperado no demodulador Filtro A seguir o sinal PWM recuperado é aplicado em uma cascata de três filtros passivos passa-baixas de primeira ordem, desta forma obtêm-se um filtro passa-baixas de terceira ordem, com uma atenuação de 60dB por década. Os filtros são compostos por R8 e C1, R9 e C17, R10 e C18. O sinal na saída do filtro é denominado de PWMFIL Condicionamento de saída Uma vez obtido o sinal PWMFIL, este é levado ao estágio de condicionamento de saída, através do amplificador inversor IC1A, R1 e R2 é aplicado um ganho igual a 20 neste sinal e onde também é realizado um offset no mesmo. A seguir este sinal é invertido através de IC1B, R3 e R4, amplificador inversor de ganho unitário. Neste ponto tem-se o sinal original recuperado podendo assumir qualquer valor entre 5 e +12V Alimentação As tensões necessárias para o funcionamento dos blocos anteriores são 15V, +5V e +15V, estas tensões são obtidas através dos reguladores de tensão IC4, IC2 e IC3 respectivamente. A alimentação deve ser feita através de uma fonte que forneça 18V e +18V. Os capacitores C2 a C5 e C14 tem a função de desacoplamento. Os led s D1 a D3 indicam a presença de alimentação.

9 Figura 5 Diagrama esquemático do demodulador. 9

10 10 4 Montagem 4.1 Modulador Lista de componentes: Resistores R1-20K; R2-5,6K; R3, R4, R11, R14-10K; R5-4,7K; R6-27K; R7, R8, R15-10K (Trimpot); R10-6,8K; R12-22K; R9, R13, R16, R17-1K; R18-220R; R19-2,2K; R20-100R (2W); R21-470R; Capacitores C1-22nF (Poliester); C2, C3, C4, C5, C6, C7, C14-100nF (Cerâmico); C8, C9-1000uF (Eletrolítico); C10, C15-0,33uF (Eletrolítico); C11, C16-0,1uF (Eletrolítico); C12-2,2uF (Eletrolítico); C13-1uF (Eletrolítico); Diodos e led's ZN1 - Zener 6,2V; ZN2 - Zener 8,2V; D1, D2, D3 - LED 3mm; Circuitos integrados IC1 - TL072 (Amplificador operacional duplo); IC2 - TL074 (Amplificador operacional quadruplo); IC (Regulador de tensão +12V); IC (Regulador de tensão -12V); IC5 - MAX481 (Transceptor RS485); IC6-78L05 (Regulador de tensão +5V); Diversos J1 - Conector RJ45 fêmea; SL1 - Conector molex 2 pinos, vertical (Completo); 2 - Soquete 8 pinos; 1 - Soquete 14 pinos; 1 Placa virgem de 10 x 7,5cm; A disposição dos componentes na placa do modulador é apresentada a seguir.

11 11 Figura 6 Disposição dos componentes na placa do modulador. Abaixo são apresentadas algumas fotos do modulador montado. Figura 7 Modulador montado.

12 Demodulador Lista de componentes: Resistores R1, R16, R17-1K; R2-20K; R3, R4-10K; R5-4,7K; R6-15K; R7-10K (Trimpot); R8, R9, R10-680R; R20-100R; R21-470; Capacitores C1, C17, C18-22uF (Eletrolítico); C2, C3, C4, C5, C14-100nF (Cerâmico); C8, C9-1000uF (Eletrolítico); C10, C15-0,33uF (Eletrolítico); C11, C16-0,1uF (Eletrolítico); C12-2,2uF (Eletrolítico); C13-1uF (Eletrolítico); Diodos e LED's ZN1 - Zener de 6,2V; D1, D2, D3 - LED 3mm; Circuitos integrados IC1 - TL072 (Amplificador operacional duplo); IC2-78L05 (Regulador de tensão +5V); IC (Regulador de tensão +15V); IC (Regulador de tensão -15V); IC5 - MAX481 (Transceptor RS485); Diversos J1 - Conector RJ45 fêmea; SL1 - Conector molex 2 pinos, vertical (Completo); 2 - Soquete 8 pinos; 1 Placa virgem de 10 x 7,5cm; A disposição dos componentes na placa do demodulador é apresentada a seguir.

13 13 Figura 8 Disposição dos componentes na placa do demodulador. Abaixo são apresentadas algumas fotos do demodulador montado. Figura 8 Demodulador montado.

14 14 Observações (válidas para o modulador e o demodulador): - Todos os trimpots são multivoltas vertical; - Todos os resistores são para 1/8W, exceto R20 que é para 2W; - A designação completo para SL1 se refere ao conector macho, fêmea e os terminais; - A tensão de todos os capacitores é de 25V; - Recomenda-se aplicar verniz ou uma solução de breu em álcool nas placas para evitar oxidação, exceto nos encaixes dos CI s nos soquetes e todos conectores; - Observe a existência de pontes, para interligação de alguns pontos; - Utilizar cabo blindado na entrada de sinal do modulador e na saída do demodulador. - As alimentações dos CI s utilizados são feitas da seguinte forma: Modulador IC1 Pino 4 (-12V) / Pino 8 (+12V); IC2 Pino 4 (+12V) / Pino 11 (-11V); IC5 Pino 5 (GND) / Pino 8 (+5V). Demodulador IC1 Pino 4 (-15V) / Pino 8 (+15V); IC5 Pino 5 (GND) / Pino 8 (+5V) Fonte de alimentação A fonte utilizada para alimentar o modulador deve possuir as seguintes características: Tensão de saída: -15VDC e +15VDC; Corrente de saída: 300mA em ambas as tensões. Para demodulador tem-se: Tensão de saída: -18VDC e +18VDC; Corrente de saída: 300mA em ambas as tensões.

15 15 5 Ajustes e pontos de medição Ajustes no modulador R7 Offset do sinal de entrada; R8 Freqüência do sinal PWM; R15 Limites, máximo e mínimo, do ciclo ativo do PWM Ajuste no demodulador R7 Offset do sinal demodulado Pontos de medição no modulador Pino 5 de IC1 Valor do offset do sinal de entrada; Pino 1 de IC2 Onda triangular sem condicionamento; Pino 12 de IC2 Onda triangular após condicionamento; Pino 13 de IC2 Sinal de entrada após condicionamento; Base de T2 Sinal PWM; Medição diferencial entre os pinos 6 e 7 de IC5 Sinal PWM diferencial transmitido; Anodo de D1 Tensão de +12V; Anodo de D3 Tensão de +5V; Catodo de D2 Tensão de 12V; Pontos de medição no demodulador Medição diferencial entre os pinos 6 e 7 de IC5 Sinal PWM diferencial recebido; Pino 1 de IC5 Sinal PWM; Terminal positivo de C18 Nível DC correspondente ao sinal PWM recebido, sem condicionamento; Pino 1 de IC1 Sinal após condicionamento, invertido; Pino 7 de IC1 Sinal original, igual ao aplicado no modulador; Anodo de D1 Tensão de +15V; Anodo de D3 Tensão de +5V; Catodo de D2 Tensão de 15V; Observação: Todas as medidas são em relação ao terra, GND, exceto as descritas como diferenciais, que são em relação aos pinos citados.

16 16 Apêndice I Variações de alguns sinais Neste apêndice são apresentados os valores máximo e mínimo de alguns sinais presentes nos circuitos do modulador e demodulador, respectivamente. Modulador Grandeza Ponto de medição Variação Mínimo Máximo Offset do sinal de entrada Pino 5 de IC1 0V +1,8V Frequencia da onda triangular Pino 1 de IC2 7,0KHz 60KHz Offset da onda triangular (limites Pino 10 de IC2 do ciclo ativo) 0V +4,9V Variação do ciclo ativo Medição diferencial entre os pinos 6 e 7 de IC5 10% 90% Sinal de entrada Pino 2 de SL1-5V +12V Tabela 1 Variações no modulador. Demodulador Grandeza Ponto de medição Variação Mínimo Máximo Sinal de saída Pino 1 de SL1-5V +12V Offset do sinal de saída Pino 3 de IC1 0V +2,7V Tabela 2 Variações no demodulador.

17 17 Apêndice II - Layout das placas A seguir são apresentados os layouts das placas do modulador e demodulador. Observase que as figuras são apresentadas da mesma forma que foram geradas, ou seja, sem espelhamento. A face inferior e apresentada como vista através da face superior. Para a confecção da placa deve-se considerar um possível espelhamento das faces de acordo com o método utilizado, fotográfico ou transferência térmica. Figura 10 Layout da placa do modulador. Figura 11 Layout da placa do demodulador.

18 18 Apêndice II Autor e contato Igor Machado Malaquias igormm@bol.com.br Todos os arquivos referentes ao projeto podem ser encontrados no seguinte endereço: Para quaisquer dúvidas, críticas ou sugestões, por favor, entre em contato. Antecipadamente, gostaria de agradecer a todos pelo interesse.