3.6 Ausgabe – Schnittstelle zwischen Cyber- und physischer Welt
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denn sie enthalten einen immer leitenden Pfad zwischen den beiden Anschlüssen
der Betriebsspannung. Dieser Pfad bewirkt eine ständige Leistungsaufnahme, unabhängig vom Ausgabesignal. Das Verhältnis zwischen der tatsächlich genutzten
(Wechselstrom-) Leistung und der verbrauchten elektrischen Leistung wäre daher sehr klein. Insgesamt betrachtet wäre die Effizienz von Audioverstärkern für
kleine Lautstärken entsetzlich schlecht.
• Analoge Schaltkreise können auf ansonsten digitalen Chips nicht so einfach integriert werden. Externe analoge Komponenten würden die Kosten sehr in die
Höhe treiben.
Periode
25 %
PWM
t
75%
Abb. 3.59 Tastverhältnisse
Daher ist die Pulsbreitenmodulation (engl. pulse
width modulation (PWM)) sehr populär. Mit PWM
starten wir mit einem digitalen Wert und generieren ein digitales Rechtecksignal, dessen Tastverhältnis
dem zu wandelnden Wert entspricht. Abb. 3.59 zeigt
digitale Signale mit Tastverhältnissen von 25% und
75%. Solche Signale können durch Fourierreihen wie
in Gleichung (3.1) dargestellt werden. Für die Anwendung von PWM versuchen wir, die Effekte höherer Frequenzen zu eliminieren.
Mikrocontroller-Bus
Zähler
Takt
Programmierbarer
Signale
Register 3
Register 2
Register 1
Register 0
L
M
>
>
>
>
PWM
Abb. 3.60 Hardware für PWM-Ausgabe
PWM-Signale können erzeugt
werden, indem wir einen Zähler
mit einem Wert vergleichen, der in
einem programmierbaren Register
gespeichert ist (siehe Abb. 3.60).
Eine hohe Spannung wird immer
erzeugt, wenn der Wert im Zähler
den Wert im Register übersteigt.
Sonst wird eine Spannung nahe
Null generiert. Das Taktsignal des
Zählers muss programmierbar sein,
damit die Basisfrequenz der PWMSignale gewählt werden kann. In
unserer Schaltung haben wir angenommen, dass die PWM-Frequenz für alle Ausgänge gleich ist. Die Register müssen mit den Werten geladen werden, die zu wandeln
sind, typischerweise entsprechend der Abtastrate der Analogsignale.
Der Aufwand für die Filterung der höheren Frequenzanteile hängt von der Anwendung ab. Im Fall eines Motors geschieht eine entsprechende Mittelwertbildung
im Motor selbst, da die sich bewegenden Teile eine gewisse Masse haben und da
in der Regel Induktivitäten im Motor ebenfalls filternd wirken. Aus diesem Grund
werden keine externen Komponenten benötigt (siehe Abb. 3.60). Im Falle von Lampen erfolgt die Mittelwertbildung im menschlichen Auge, solange die Frequenzen
nicht zu niedrig sind. Einfache Klingeln kann man auch direkt antreiben. In anderen
Fällen kann das Filtern von hohen Frequenzanteilen erforderlich sein. So kann die
elektromagnetische Strahlung durch hohe Frequenzanteile Störungen bewirken und
Audioanwendungen können ebenfalls eine Filterung verlangen. In Abb. 3.60 wurden
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denn sie enthalten einen immer leitenden Pfad zwischen den beiden Anschlüssen
der Betriebsspannung. Dieser Pfad bewirkt eine ständige Leistungsaufnahme, unabhängig vom Ausgabesignal. Das Verhältnis zwischen der tatsächlich genutzten
(Wechselstrom-) Leistung und der verbrauchten elektrischen Leistung wäre daher sehr klein. Insgesamt betrachtet wäre die Effizienz von Audioverstärkern für
kleine Lautstärken entsetzlich schlecht.
• Analoge Schaltkreise können auf ansonsten digitalen Chips nicht so einfach integriert werden. Externe analoge Komponenten würden die Kosten sehr in die
Höhe treiben.
Periode
25 %
PWM
t
75%
Abb. 3.59 Tastverhältnisse
Daher ist die Pulsbreitenmodulation (engl. pulse
width modulation (PWM)) sehr populär. Mit PWM
starten wir mit einem digitalen Wert und generieren ein digitales Rechtecksignal, dessen Tastverhältnis
dem zu wandelnden Wert entspricht. Abb. 3.59 zeigt
digitale Signale mit Tastverhältnissen von 25% und
75%. Solche Signale können durch Fourierreihen wie
in Gleichung (3.1) dargestellt werden. Für die Anwendung von PWM versuchen wir, die Effekte höherer Frequenzen zu eliminieren.
Mikrocontroller-Bus
Zähler
Takt
Programmierbarer
Signale
Register 3
Register 2
Register 1
Register 0
L
M
>
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>
>
PWM
Abb. 3.60 Hardware für PWM-Ausgabe
PWM-Signale können erzeugt
werden, indem wir einen Zähler
mit einem Wert vergleichen, der in
einem programmierbaren Register
gespeichert ist (siehe Abb. 3.60).
Eine hohe Spannung wird immer
erzeugt, wenn der Wert im Zähler
den Wert im Register übersteigt.
Sonst wird eine Spannung nahe
Null generiert. Das Taktsignal des
Zählers muss programmierbar sein,
damit die Basisfrequenz der PWMSignale gewählt werden kann. In
unserer Schaltung haben wir angenommen, dass die PWM-Frequenz für alle Ausgänge gleich ist. Die Register müssen mit den Werten geladen werden, die zu wandeln
sind, typischerweise entsprechend der Abtastrate der Analogsignale.
Der Aufwand für die Filterung der höheren Frequenzanteile hängt von der Anwendung ab. Im Fall eines Motors geschieht eine entsprechende Mittelwertbildung
im Motor selbst, da die sich bewegenden Teile eine gewisse Masse haben und da
in der Regel Induktivitäten im Motor ebenfalls filternd wirken. Aus diesem Grund
werden keine externen Komponenten benötigt (siehe Abb. 3.60). Im Falle von Lampen erfolgt die Mittelwertbildung im menschlichen Auge, solange die Frequenzen
nicht zu niedrig sind. Einfache Klingeln kann man auch direkt antreiben. In anderen
Fällen kann das Filtern von hohen Frequenzanteilen erforderlich sein. So kann die
elektromagnetische Strahlung durch hohe Frequenzanteile Störungen bewirken und
Audioanwendungen können ebenfalls eine Filterung verlangen. In Abb. 3.60 wurden