PWM Principles

Pulse width modulation

Pulse width modulation เรียกสั้นๆว่า PWM เป็นการโมดูเลชั่นความกว้างพัลส์ ที่ถูกนำมาใช้ในงานประยุกต์หลายด้าน ตัวอย่างเช่น การสื่อสารดิจิตอล(digital communication), อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (power electronics), การควบคุมความเข้มแสงของไฟถนนอัตโนมัติ (street lighting), การควบคุมความเร็วของมอเตอร์ DC และการสร้างสัญญาณอนาล็อกจากสัญญาณดิจิตอลด้วย PWM ที่แปรผันได้ (ADC) และการ แปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก (DAC) เป็นต้น ซึ่งเทคนิคในการสร้างสัญญาณ PWM มีอยู่ด้วยกัน 2 วิธี คือวิธีทางดิจิตอลและวิธีทางอนาล็อก

PWM จะทำการสร้างคลื่นสี่เหลี่ยม (square wave) โดยสามารถควบคุมระยะเวลาค่าสัญญาณขึ้น/สูง (up หรือ high) ในสัญญาณ PWM โดยค่าแรงดันต่ำสุดและสูงสุดจะเป็นค่าที่จำกัดการพื้นที่ของคลื่น (waves oscillation space) เรียกว่า "ความสูงคลื่น - Amplitude" สำหรับรอบของคลื่นเพื่อเกิดเต็มรูปแบบของช่วงเวลานั้น จะเรียกว่า "คาบเวลา - Time period" โดยที่ time period มีค่าเท่ากับ

$$Time \space period = on \space time + off \space time$$

ความถี่ของ PWM

ค่าความถี่ (frequency) คือจำนวนลูกคลื่น (cycle) ต่อ 1 หน่วยคาบเวลา (time peroid) ตัวอย่างเช่น ในคาบเวลาของสัญญาณ 20ms จะมีจำนวนลูกคลื่น 50 ลูก หรือ 50Hz

$$Frequency = {1 \over Time \space period}$$

Time Period, Cycle Time, Frequency

Duty cycle

Duty Cycle คือหลักการสำคัญที่ถูกใช้ใน PWM เนื่องจากมันจะเป็นตัวแทนของระยะเวลาที่สัญญาณอยู่ในสถานะ high โดยที่สูตรในการหาค่า duty cycle ดังนี้

$$Duty \space Cycle = { On \space time \space of \space signal \over total \space time \space period \space of \space signal }$$

Duty Cycle

การคำนวณค่า Voltage ของสัญญาณ PWM

เพื่อคำนวณหาค่า duty cycle เราจะต้องรู้ว่าระยะเวลาในขณะที่สัญญาณมีค่า high นานเท่าใด ตัวอย่างเช่น ถ้าเราทราบว่าระยะเวลาในขณะที่สัญญาณมีค่า high เป็นระยะเวลา 6ms และระยะเวลาในขณะที่ค่าสัญญาณ low เป็นระยะเวลา 4ms ซึ่งทำให้รวมระยะเวลาทั้งหมดคือ 10ms ดังนั้นก็สามารถใช้สูตรข้างต้นหาค่า duty cycle ได้ดังนี้

$$Duty \space Cycle = { 6 \space ms \over 10 \space ms } = 0.6 \space \space or \space 60\%$$

จากการแก้สมการจะได้ duty cycle เท่ากับ 0.6 ซึ่งไม่มีหน่วย ดังนั้นเราจึงมักจะวัด duty cycle เป็นหน่วยของเปอร์เซ็นต์ (%) ของการที่สถานะของสัญญาณอยู่ในค่า high นั่นเอง

Amplitude of PWM

ในกรณีของสัญญาณดิจิตอล แรงดันต่ำสุดส่วนใหญ่จะเป็นศูนย์ ดังนั้นความสูงคลื่น (Amplitude) จะเป็นแรงดันสูงสุดของสัญญาณ ตัวอย่างเช่น จากรูปด้านล่าง PWM มี duty cycle อยู่ที่ 50% และระดับแรงดันไฟฟ้าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 5 โวลต์ ที่จ่ายให้กับ LED ดังนั้นค่าแรงดันขาออกจะอยู่ที่ 2.5 โวลต์เท่านั้น

$$Vout = D \times Vmax \space \space , where \space D \space is \space duty \space cycle$$

ในการโปรแกรม PSoC เพื่อสร้างสัญญาณ PWM ออกผ่านขาของไมโครคอนโทรเลอร์จะเรียกใช้ฟังก์ชัน cyhal_pwm_init นอกจากนั้นการตั้งค่า clock จะอ้างอิงสัญญาณนาฬิกาหลักของไมโครคอนโทรเลอร์ และกำหนดค่า duty cycle ผ่านฟังก์ชัน cyhal_pwm_set_duty_cycle หลักจากที่กำหนดค่าเริ่มต้นต่างๆเรียบร้อยแล้ว ก็จะเริ่มสร้างสัญญาณ PWM โดยเรียกใช้ฟังก์ชัน cyhal_pwm_start ดังตัวอย่างโปรแกรมข้างล่าง

cy_rslt_t   rslt;
cyhal_pwm_t pwm_obj;
 
// Initialize PWM on the supplied pin and assign a new clock
rslt = cyhal_pwm_init(&pwm_obj, P0_0, NULL);
 
// Set a duty cycle of 50% and frequency of 1Hz
rslt = cyhal_pwm_set_duty_cycle(&pwm_obj, 50, 1);
 
// Start the PWM output
rslt = cyhal_pwm_start(&pwm_obj);

Ref:

• What is PWM?

• Infineon Documentation