Понимание датчиков ШИМ:руководство по функциональности и тестированию

Все большее число промышленных систем заменяют традиционные аналоговые сигналы чистыми, устойчивыми к помехам широтно-импульсной модуляцией.

Поскольку выход ШИМ включается и выключается вместо поддержания постоянного аналогового уровня, это приводит к снижению энергопотребления и меньшему выделению тепла. Мы объясним операции включения и выключения позже в этой статье.

Датчики широтно-импульсной модуляции (ШИМ) теперь повсюду. В этой статье мы подробно объясним, как сигнал датчика ШИМ может представлять переменную процесса, и покажем, как проверить его с помощью надежного цифрового мультиметра.

Датчики ШИМ используются в различных приложениях. Например, они измеряют положение и смещение, давление и силу, контролируют скорость и число оборотов, а также выполняют другие функции.

Аналоговые и ШИМ-датчики

Начнем с определения двух аналоговых датчиков, которые заменяются датчиками ШИМ.

Потенциометры

Потенциометры когда-то были предпочтительным выбором для многих приложений измерения положения.

Они также были распространены в джойстиках, рычагах и педалях.

Почему их заменяют ШИМ-устройствами? Потенциометр имеет металлический скребок, который трётся о резистивный материал, создавая переменное сопротивление. Со временем они загрязняются и изнашиваются. Очистить их практически невозможно, поэтому их часто заменяют.

Однако они не исчезли полностью и, вероятно, будут существовать еще довольно долго.

Энкодеры вала

Хорошо, а как насчет энкодеров? Оптические энкодеры использовались на протяжении десятилетий для определения положения вала. Существуют абсолютные энкодеры с ШИМ, которые обеспечивают лучшую устойчивость к пыли, маслу, вибрации и ударам; они не полагаются на светодиодный источник света и кодовый диск для генерации выходного сигнала.

Как работают датчики ШИМ

Хорошо, теперь, когда мы обсудили, где и почему можно найти датчики ШИМ, давайте продолжим и объясним, как они работают.

Проще говоря, ШИМ предполагает настройку рабочего цикла цифрового сигнала постоянной частоты. При использовании датчика ШИМ изменения рабочего цикла отражают изменения физического параметра, такого как вращение, положение или давление.

Рабочий цикл и частота

Итак, что такое рабочий цикл? Начнем с обсуждения частоты.

В Северной Америке мы все знакомы с частотой сетевого переменного напряжения 60 Гц.

На осциллографе напряжение сети переменного тока отображается в виде синусоидальной волны, повторяющейся с частотой 60 циклов в секунду.

Используя простые математические вычисления, мы можем определить, что время завершения одного цикла, называемого Периодом, составляет 16,67 миллисекунды. Как мы это получили? Период является обратной частотой.

P — период одного цикла.

Типы сигналов

Не все повторяющиеся сигналы являются синусоидальными или имеют чередующуюся полярность, как сетевое напряжение. Существуют пилообразные и прямоугольные сигналы, и это лишь некоторые из них.

ШИМ — это повторяющийся сигнал, длительность каждого полупериода которого может различаться.

У каждого цикла сигнала есть время, когда напряжение включено, и время, когда оно выключено.

Рабочий цикл — это соотношение времени включения к периоду или продолжительности одного цикла. Рабочий цикл выражается в процентах.

Пример датчика ШИМ

Давайте рассмотрим пример.

У нас есть датчик ШИМ с периодом 2 секунды и временем включения 0,5 секунды. Рабочий цикл представляет собой отношение времени включения к общему периоду. В этом примере это 0,5 секунды, разделенные на 2 секунды. Помните, что мы выражаем рабочий цикл в процентах, поэтому он составляет 25%.

Устройство серии Megatron HTP36 представляет собой однооборотный абсолютный энкодер с ШИМ-выходом.

Он работает на частоте 244 Гц. Рабочий цикл составляет от 10% до 90%, что соответствует вращению от 0 до 360 градусов. При напряжении питания 5 В постоянного тока мы можем предположить, что импульс напряжения времени включения составляет 5 В постоянного тока.

Почему рабочий цикл варьируется от 10% до 90%? Этот диапазон является общим для датчиков ШИМ, хотя также типичен диапазон от 5% до 95%. Полный диапазон от 0% до 100% не используется в диагностических целях. Сигнал ниже 10 % или выше 90 % указывает на потенциальную неисправность.

Наблюдение сигнала ШИМ с помощью осциллографа

Давайте рассмотрим форму сигнала, которую мы могли бы наблюдать на портативном осциллографе Fluke 190 с батарейным питанием, подключенном к выходу этого энкодера.

При повороте на 0 градусов мы наблюдаем рабочий цикл 10%. Период сигнала составляет 4,0 миллисекунды, а время включения – 0,4 миллисекунды.

При повороте на 360 градусов мы наблюдаем скважность 90%. Как обычно, период сигнала составляет 4,0 миллисекунды. Время включения составляет 3,6 миллисекунды.

Здесь стоит отметить, что в спецификации указан максимальный рабочий цикл 90 %, что составляет примерно 3,5 мс.

Почему такая разница? По сути, это стандартная практика в таблицах данных. Для простоты производитель округляет значения.

Измерение сигналов ШИМ с помощью цифрового мультиметра

Хорошо, если вы или ваша компания можете позволить себе дорогой портативный осциллограф, но немногие могут себе это позволить.

Все, что вам действительно нужно, — это цифровой мультиметр (цифровой мультиметр) с парой специальных опций, например Fluke 87V, который может измерять частоту и рабочий цикл.

Датчик ШИМ — активное устройство, в отличие от потенциометра, который является пассивным. Для работы ему нужна энергия. Не существует никаких тестов омметра, которые можно было бы выполнить, чтобы определить, исправен ли он.

Этот конкретный цифровой мультиметр имеет кнопку с надписью Гц. со знаком % процента.

Эта кнопка позволяет одним нажатием измерить частоту в герцах и рабочий цикл в процентах.

Для измерения частоты подключите провода к клеммам цифрового мультиметра VAC и установите селектор на напряжение переменного тока. Подсоедините провода так же, как вы это делали с осциллографом. Нажмите кнопку «Гц» один раз, и на дисплее отобразится частота в герцах.

Помните, что частота ШИМ остается постоянной; поэтому показания не должны меняться при вращении энкодера.

Для измерения рабочего цикла оставьте подключенными одни и те же выводы. Нажмите кнопку «Гц» еще раз, и на дисплее теперь будет отображаться рабочий цикл в процентах. Вы увидите изменение значения рабочего цикла с 10% до 90% при повороте энкодера от 0 до 360 градусов.

По показаниям цифрового мультиметра будет очевидно, неисправен ли датчик, сомнительный или нестабильный.

Тестирование датчиков ШИМ с использованием постоянного напряжения

Если ваш цифровой мультиметр не имеет возможности измерения частоты или рабочего цикла, еще не все потеряно. Вы все равно можете получить приблизительное представление о работе датчика ШИМ, настроив измеритель на измерение напряжения постоянного тока. В этом режиме цифровой мультиметр показывает среднее значение импульсного сигнала.

Поскольку рабочий цикл меняется в зависимости от вращения энкодера, среднее напряжение постоянного тока также меняется. Когда рабочий цикл увеличивается, измеренное напряжение постоянного тока соответственно увеличивается.

Этим методом вы не сможете определить рабочий цикл. Однако, если напряжение постоянного тока остается неизменным при вращении энкодера, датчик ШИМ следует считать подозрительным.

‍

Сводка

Датчики ШИМ на удивление легко проверить в полевых условиях с помощью цифрового мультиметра, если вы понимаете рабочий цикл и частоту.

‍

‍

18 марта 2026 г.