Патент на изобретение №2331922

(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ДВУХ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ В ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ СИГНАЛ

(57) Реферат:

Способ преобразования произведения двух аналоговых сигналов в широтно-импульсный сигнал относится к измерительной технике и может быть использован для построения счетчиков электрической энергии и преобразователей активной мощности. Достигаемый технический результат – обеспечение высокой точности преобразования. Способ характеризуется тем, что осуществляют широтно-импульсное преобразование первого аналогового сигнала путем сравнения его с первым треугольным сигналом и формирования первого широтно-импульсного сигнала, имеющего в одном интервале времени уровень логической единицы при превышении уровня первого треугольного сигнала уровнем первого аналогового сигнала и имеющего в другом интервале времени уровень логического нуля если уровень первого треугольного сигнала ниже уровня первого аналогового сигнала, осуществляют широтно-импульсное преобразование второго аналогового сигнала путем сравнения его со вторым треугольным сигналом и формирования второго широтно-импульсного сигнала, имеющего в одном интервале времени уровень логической единицы при превышении уровня второго треугольного сигнала уровнем второго аналогового сигнала и имеющего в другом интервале времени уровень логического нуля если уровень второго треугольного сигнала ниже уровня второго аналогового сигнала, при этом осуществляют логическое перемножение первого и второго широтно-импульсных сигналов с формированием логических уровней, соответствующих интервалам времени, при которых логические уровни первого и второго широтно-импульсных сигналов совпадают или не совпадают, при этом период второго треугольного сигнала не равен периоду первого треугольного сигнала. 9 ил.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения счетчиков электрической энергии и преобразователей активной мощности.

Заявителем аналогов предлагаемого способа не обнаружено.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа преобразования произведения двух аналоговых сигналов в широтно-импульсный сигнал (ШИМ), обеспечивающего высокую точность.

Поставленная задача достигается тем, что в способе преобразования произведения двух аналоговых сигналов в широтно-импульсный сигнал осуществляют широтно-импульсное преобразование первого аналогового сигнала путем сравнения его с первым треугольным сигналом и выделением интервала времени, при котором уровень первого аналогового сигнала ниже уровня первого треугольного сигнала и выделением интервала времени, при котором уровень первого аналогового сигнала выше уровня первого треугольного сигнала, таким же образом производят широтно-импульсное преобразование второго аналогового сигнала путем сравнения его со вторым треугольным сигналом и выделением интервала времени, при котором уровень второго аналогового сигнала ниже уровня второго треугольного сигнала и выделением интервала времени, при котором уровень второго аналогового сигнала выше уровня второго треугольного сигнала, и выполняют логическое перемножение упомянутых широтно-импульсных сигналов с выделением интервала времени, при котором логические уровни широтно-импульсных сигналов совпадают и интервала времени, при котором логические уровни широтно-импульсных сигналов не совпадают, а период второго треугольного сигнала выбирают не равным периоду первого треугольного сигнала.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего данный способ, на фиг.2 показана структурная схема генератора треугольного сигнала, на фиг.3 изображена временная диаграмма работы генератора треугольного сигнала, на фиг.4 изображены эпюры напряжения работы первого ШИМ-преобразователя, на фиг.5 изображены эпюры напряжения работы второго ШИМ-преобразователя, на фиг.6 показан процесс логического перемножения двух ШИМ-сигналов, на фиг.7 изображен случай, когда в один период треугольного сигнала укладывается целое количество периодов второго треугольного сигнала, на фиг.8 и фиг.9 изображены случаи, когда в один период треугольного сигнала укладывается целое количество периодов второго треугольного сигнала, а уровень одного входного сигнала совпадает с одной из точек пересечения первого и второго треугольных сигналов.

Устройство, изображенное на фиг.1, содержит два генератора треугольных сигналов ГТС(1) и ГТС(2), два сравнивающих устройства СУ(3) и СУ(4) и логическое множительное устройство ЛМУ(5). Генератор треугольных сигналов ГТС(1) и сравнивающее устройство СУ(3) составляют первый широтно-импульсный преобразователь ШИМ(6), а генератор треугольных сигналов ГТС(2) и сравнивающее устройство СУ(4) составляют второй широтно-импульсный преобразователь ШИМ(7).

Генератор треугольного сигнала, ГТС(1) и ГТС(2) (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1988 г.), может состоять из интегратора И(1) (фиг.2.), ключа К(2) (фиг.2), операционного усилителя ОУ(3) (фиг.2). Выходы интегратора И(1) и ключа К(2) подключены ко входам операционного усилителя ОУ(3). Сравнивающее устройство, СУ(3) и СУ(4) (Ленк Дж. 500 практических схем на популярных ИС. – М.: ДМК Пресс, 2001 г.), может быть выполнено в виде суммирующего усилителя постоянного тока и цифрового элемента. Логическое множительное устройство ЛМУ(5) (Ибрагим К.Ф. Основы электронной техники: элементы, схемы, системы. – М.: Мир, 2001 г.) является логическим элементом, который выполняет умножение ШИМ сигналов по логической схеме исключающего «ИЛИ».

Способ осуществляется следующим образом (фиг.1). На выходах генераторов треугольных сигналов ГТС(1) и ГТС(2) появляются треугольные сигналы по следующему алгоритму: допустим в начальный момент времени за счет напряжения смещения операционного усилителя ОУ(3) (фиг.2.) на выходе операционного усилителя ОУ(3) будет некоторый положительный уровень сигнала. Этот уровень переключит ключ К(2) и в точке 5 появится сигнал -Е0. Тот же положительный уровень сигнала поступает так же на интегратор И(1), где он интегрируется пока не достигнет уровня -Е0 (участок 1 на фиг.3). Как только это произойдет и как только уровень в точке 4 превысит значение -Е0 операционный усилитель ОУ(3) переключится и на выходе его будет отрицательный уровень сигнала. Переключится ключ К(2) и в точке 5 появится сигнал +Е0. Интегрирование пойдет в обратном направлении (участок 2 на фиг.3). На входе сравнивающего устройства СУ(3) (фиг.1) происходит сравнение первого аналогового сигнала U1 и треугольного сигнала U1(t), а на выходе выделяются интервалы времени в виде логических уровней по следующему алгоритму: если уровень сигнала U1(t) выше уровня сигнала U1, то на выходе сравнивающего устройства появляется логическая 1(0) – интервал времени t1, и если уровень сигнала U1(t) ниже уровня сигнала U1, то на выходе сравнивающего устройства СУ(3) появляется логический 0(1) – интервал времени t2. По такому же принципу происходит сравнение второго аналогового сигнала U2 с треугольным сигналом U2(t) в сравнивающем устройстве СУ(4). Полученные ШИМ-сигналы логически перемножаются на входе логического множительного устройства ЛМУ(5), а на выходе ЛМУ(5) формируются интервалы времени в виде логических уровней по следующему принципу: на выходе ЛМУ(5) будет логический 0(1) в течение времени, при котором логические уровни входных ШИМ сигналов совпадают, и на выходе ЛМУ(5) будет логическая 1(0) в течение интервала времени, при котором логические уровни входных ШИМ-сигналов различны.

Процесс логического перемножения двух ШИМ-сигналов иллюстрируется на фиг.6.

Исходя из фиг.4 можно записать выражение для первого ШИМ-сигнала:

Подобным же образом можно описать и второй ШИМ-сигнал исходя из фиг.5:

Тогда результирующий (шим. рез.) будет

Покажем, что данное выражение имеет место, например, при условии, когда отношение периодов двух треугольных сигналов Т и Т’

Докажем это утверждение для случая, изображенного на фиг.7, когда в один период треугольного сигнала укладывается целое количество периодов второго треугольного сигнала.

Приняты условия и обозначения:

– U1 – входной сигнал для ШИМ с Ut1(t)

– U2 – входной сигнал для ШИМ с Ut2(t)

– Время t11 – время, в течение которого U1>Ut1(t)

– Время t21 – время, в течение которого U2>Ut2(t)

– Время U2 – время, в течение которого U1

– Время t22 – время, в течение которого U2

– Временам t11 и t21 соответствует логический уровень, равный 1

– Временам t12 и t22 соответствует логический уровень, равный -1

Исходя из фиг.7 работа ШИМ-модуляторов описывается следующим образом:

Установим правила логического перемножения уровней:

Идеальное значение умножения, учитывая (5) и (6):

Исходя из фиг.7 времена t11 и t12 можно записать в следующем виде:

Подставив t11 и t12 в (8), получим реальное значение перемножения:

Отсюда следуют два частных случая:

1. Если t’12=0, тогда t’11=T2 (фиг.8) и, следовательно

2. Если t’12=T2, тогда t’11=0 (фиг.9) и, следовательно

Подставив (11) в (10), получаем

Подставив (12) в (10), получаем

Выражение для U1 с учетом (5) и (11) можно записать следующим образом:

Выражение для U1 с учетом (5) и (12) можно записать следующим образом:

Исходя из (6), (13) и (15), а также из (6), (14) и (16), получаем, что при выполнении условий (11) или (12) реальное значение произведения двух аналоговых сигналов равно идеальному значению. Следовательно, доказано что в случае когда в один период треугольного сигнала укладывается целое количество периодов второго треугольного сигнала, существуют такие уровни сигнала U1, при которых методическая погрешность перемножения равна нулю в независимости от сигнала U2. Значения входных напряжений U1, при которых методическая погрешность равна нулю, определяется значениями U1(t) в точках t=i*T2, как видно из фиг.7. Где i принимает значения от 0 до n. Между этими точками возникает методическая погрешность, значение которой обратно пропорционально значению n.

Таким образом, достигается высокая точность преобразования произведения двух аналоговых сигналов в широтно-импульсный сигнал.

Формула изобретения

Способ преобразования произведения двух аналоговых сигналов в широтно-импульсный сигнал, при котором осуществляют широтно-импульсное преобразование первого аналогового сигнала путем сравнения его с первым треугольным сигналом и формирования первого широтно-импульсного сигнала, имеющего в одном интервале времени уровень логической единицы при превышении уровня первого треугольного сигнала уровнем первого аналогового сигнала и имеющего в другом интервале времени уровень логического нуля если уровень первого треугольного сигнала ниже уровня первого аналогового сигнала, осуществляют широтно-импульсное преобразование второго аналогового сигнала путем сравнения его со вторым треугольным сигналом и формирования второго широтно-импульсного сигнала, имеющего в одном интервале времени уровень логической единицы при превышении уровня второго треугольного сигнала уровнем второго аналогового сигнала и имеющего в другом интервале времени уровень логического нуля если уровень второго треугольного сигнала ниже уровня второго аналогового сигнала, отличающийся тем, что осуществляют логическое перемножение первого и второго широтно-импульсных сигналов с формированием логических уровней, соответствующих интервалам времени, при которых логические уровни первого и второго широтно-импульсных сигналов совпадают или не совпадают, при этом период второго треугольного сигнала не равен периоду первого треугольного сигнала.

РИСУНКИ

(t)

(t)