Modulador
e
demodulador PWM
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destas informações para fins comerciais é expressamente proibido.
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Índice
1 - Introdução ................................................................................................................................... 4
2 - Modulação PWM ......................................................................................................................... 4
3 – Descrição do circuito ................................................................................................................ 6
3.1 - Modulador ................................................................................................................... 6
3.1.1 - Condicionamento de entrada .................................................................... 6
3.1.2 - PWM ............................................................................................................. 6
3.1.3 - Driver ........................................................................................................... 6
3.1.4 - Alimentação ................................................................................................ 6
3.2 - Demodulador .............................................................................................................. 8
3.2.1 - Driver ........................................................................................................... 8
3.2.2 - Filtro ............................................................................................................ 8
3.2.3 - Condicionamento de saída ....................................................................... 8
3.2.4 - Alimentação ................................................................................................ 8
4 – Montagem ................................................................................................................................. 10
4.1 - Modulador ................................................................................................................. 10
4.2 - Demodulador ............................................................................................................ 12
4.3 - Fonte de alimentação ............................................................................................... 14
5 – Ajustes e pontos de medição ................................................................................................. 15
5.1 - Ajustes no modulador .............................................................................................. 15
5.2 - Ajustes no demodulador ......................................................................................... 15
5.3 - Pontos de medição no modulador .......................................................................... 15
5.4 - Pontos de medição no demodulador ..................................................................... 15
Apêndices
I - Variações de alguns sinais ......................................................................................... 16
II - Layout das placas ....................................................................................................... 17
III - Autores e contato ....................................................................................................... 18
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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.
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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.
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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 4.
3.1.1 – 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
R7.
3.1.2 – 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.
3.1.3 – 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.
3.1.4 – 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.
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Figura 4 – Diagrama esquemático do modulador.
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3.2 – Demodulador
Assim como no caso anterior o demodulador foi dividido em blocos, figura 5.
3.2.1 – 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.
3.2.2 – 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.
3.2.3 – 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.
3.2.4 - 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.
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Figura 5 – Diagrama esquemático do demodulador.
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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);
IC3 - 7812 (Regulador de tensão +12V);
IC4 - 7912 (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.
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Figura 6 – Disposição dos componentes na placa do modulador.
Abaixo são apresentadas algumas fotos do modulador montado.
Figura 7 – Modulador montado.
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4.2 – 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);
IC3 - 7815 (Regulador de tensão +15V);
IC4 - 7915 (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.
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Figura 8 – Disposição dos componentes na placa do demodulador.
Abaixo são apresentadas algumas fotos do demodulador montado.
Figura 8 – Demodulador montado.
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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 à Pino 4 (-12V) / Pino 8 (+12V);
IC2 à Pino 4 (+12V) / Pino 11 (-11V);
IC5 à Pino 5 (GND) / Pino 8 (+5V).
Demodulador
IC1 à Pino 4 (-15V) / Pino 8 (+15V);
IC5 à Pino 5 (GND) / Pino 8 (+5V).
4.3 - Fonte de alimentação
A fonte utilizada para alimentar o modulador deve possuir as seguintes características:
à Tensão de saída: -15VDC e +15VDC;
à Corrente de saída: 300mA em ambas as tensões.
Para demodulador tem-se:
à Tensão de saída: -18VDC e +18VDC;
à Corrente de saída: 300mA em ambas as tensões.
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5 – Ajustes e pontos de medição
5.1 - Ajustes no modulador
R7 à Offset do sinal de entrada;
R8 à Freqüência do sinal PWM;
R15 à Limites, máximo e mínimo, do ciclo ativo do PWM.
5.2 - Ajuste no demodulador
R7 à Offset do sinal demodulado.
5.3 - Pontos de medição no modulador
Pino 5 de IC1 à Valor do offset do sinal de entrada;
Pino 1 de IC2 à Onda triangular sem condicionamento;
Pino 12 de IC2 à Onda triangular após condicionamento;
Pino 13 de IC2 à Sinal de entrada após condicionamento;
Base de T2 à Sinal PWM;
Medição diferencial entre os pinos 6 e 7 de IC5 à Sinal PWM diferencial transmitido;
Anodo de D1 à Tensão de +12V;
Anodo de D3 à Tensão de +5V;
Catodo de D2 à Tensão de –12V;
5.4 - Pontos de medição no demodulador
Medição diferencial entre os pinos 6 e 7 de IC5 à Sinal PWM diferencial recebido;
Pino 1 de IC5 à Sinal PWM;
Terminal positivo de C18 à Nível DC correspondente ao sinal PWM recebido, sem
condicionamento;
Pino 1 de IC1 à Sinal após condicionamento, invertido;
Pino 7 de IC1 à Sinal original, igual ao aplicado no modulador;
Anodo de D1 à Tensão de +15V;
Anodo de D3 à Tensão de +5V;
Catodo de D2 à 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.
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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
Offset do sinal de entrada
Pino 5 de IC1
Frequencia da onda triangular
Pino 1 de IC2
Offset da onda triangular (limites
Pino 10 de IC2
do ciclo ativo)
Medição diferencial entre os
Variação do ciclo ativo
pinos 6 e 7 de IC5
Sinal de entrada
Pino 2 de SL1
Variação
Mínimo
Máximo
0V
+1,8V
7,0KHz
60KHz
0V
+4,9V
10%
90%
-5V
+12V
Tabela 1 – Variações no modulador.
Demodulador
Grandeza
Sinal de saída
Offset do sinal de saída
Ponto de medição
Pino 1 de SL1
Pino 3 de IC1
Tabela 2 – Variações no demodulador.
Variação
Mínimo
Máximo
-5V
+12V
0V
+2,7V
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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.
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Apêndice II – Autor e contato
Igor Machado Malaquias
[email protected]
Todos os arquivos referentes ao projeto podem ser encontrados no seguinte endereço:
www.vespanet.com.br/~igor/pwm
Para quaisquer dúvidas, críticas ou sugestões, por favor, entre em contato.
Antecipadamente, gostaria de agradecer a todos pelo interesse.