Патент на изобретение №2185022

(54) НЕЛИНЕЙНЫЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к электрическим схемам времяимпульсных преобразователей и может применяться при построении смешанно-сигнальных измерительных приборов и вычислительных устройств. Задача изобретения состоит в разработке широтно-импульсного модулятора, в цепи обратной связи которого осуществляется демодуляция выходного ШИМ-сигнала с разделением во времени этапов процесса преобразования, благодаря чему исключается погрешность от несовпадения фактических значений сопротивлений резисторов. Поставленная задача решается путем создания устройства, содержащего шины развертывающего, входного и трех опорных сигналов, интегросумматор, образованный первым, вторым, третьим и четвертым резисторами (7, 8, 9, 10), а также первым ключом (11), первым конденсатором (12) и первым операционным усилителем (ОУ) (13), второй и третий ключи (14, 15), пятый резистор (16), второй конденсатор (17), второй ОУ (18), устройство выборки-хранения (19), компаратор (20) и распределитель импульсов (21). Технический результат: повышение точности работы преобразователя при одновременном упрощении устройства. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электрическим схемам широтно-импульсных модуляторов и может применяться при построении смешанно-сигнальных измерительных приборов и вычислительных устройств.

Существует большое количество функциональных широтно-импульсных модуляторов, построенных по принципу развертывания. Обобщенная схема устройств этого семейства описана в [1, с.137-139]. Недостатком всех подобных устройств, выполненных по разомкнутой схеме, является высокая степень зависимости результата от параметров генератора сигнала развертки.

Более стабильными с точки зрения указанной зависимости являются устройства [2] и [3]. В их состав входят импульсно-управляемые делители напряжения (ИУДН), через которые сглаженный выходной сигнал устройства попадает на один из входов компаратора. В устройстве [2] единственный выходной сигнал сглаживается посредством единственного ИУДН по квадратичному закону. В устройстве [3] ИУДН входит в состав интегросумматора, реализующего нелинейную функцию напряжения от относительной длительности ШИМ-сигнала из трех слагаемых: нулевой степени, первой степени и дробно-рационального. В обоих случаях функция модулятора является обратной по отношению к сглаживающей функции. Недостатком этих и подобных устройств является низкое быстродействие, так как длительность переходного процесса в пассивных ИУДН пропорциональна емкости конденсаторов, входящих в их состав и в некоторых случаях составляет сотни периодов сглаживаемого ШИМ-сигнала. Применение конденсаторов малой емкости в таких структурах влечет за собой снижение качества сглаживания и появление пульсаций на входе компаратора.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является нелинейный широтно-импульсный модулятор, описанный в [4]. Это устройство и выбрано в качестве прототипа. Прототип имеет более высокую точность по сравнению с устройством [1] вследствие того, что он выполнен по замкнутой схеме с отрицательной обратной связью по выходной величине. Это свойство сближает устройство [4] с двумя предыдущими решениями. При этом наличие активного сглаживающего звена с длительностью переходного процесса порядка нескольких тактов ШИМ-сигнала вместо пассивного ИУДН выгодно отличает его от устройств [2] и [3] . И наконец функция преобразователя [4] аналогична реализуемой в устройстве [3], что дает разработчику значительную гибкость при создании решающих устройств.

В состав прототипа входит шина развертывающего сигнала, шина входного сигнала, шины первого, второго и третьего опорных сигналов, интегросумматор, образованный четырьмя резисторами, первым ключом, первым конденсатором и первым операционным усилителем (ОУ), второй и третий ключи, пятый резистор, второй конденсатор, второй ОУ, устройство выборки-хранения (УВХ), компаратор, шестой резистор, Т-триггер, элемент ИЛИ-НЕ, а также два элемента И-НЕ.

Прототип осуществляет преобразование входного напряжения в ШИМ-сигнал по нелинейному закону.

Недостатком прототипа является низкая точность, так как для корректного преобразования выходного сигнала в компенсирующее напряжение (демодуляции) методически необходимо равенство сопротивлений пятого и шестого резисторов, и в процессе работы устройства возникает погрешность, обусловленная несовпадением фактических величин этих сопротивлений.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы нелинейного широтно-импульсного модулятора.

Задачей предлагаемого изобретения является создание широтно-импульсного модулятора, в цепи обратной связи которого осуществляется демодуляция выходного ШИМ-сигнала с разделением во времени этапов процесса преобразования. Благодаря этому появляется возможность использовать единственный (пятый) резистор вместо пятого и шестого и тем самым исключить вышеуказанную погрешность.

Поставленная задача решается путем создания устройства, содержащего шину развертывающего сигнала, шину входного сигнала, шины первого, второго и третьего опорных сигналов, интегросумматор, образованный первым, вторым, третьим и четвертым резисторами, а также первым ключом, первым конденсатором и первым ОУ, второй и третий ключи, пятый резистор, второй конденсатор, второй ОУ, УВХ, компаратор и распределитель импульсов (РИ), причем шина развертывающего сигнала соединена с инвертирующим входом компаратора, шина входного сигнала соединена с первым выводом первого резистора, шины первого и второго опорных сигналов подключены к первым выводам соответственно второго и третьего резисторов, второй вывод третьего резистора соединен с информационным входом первого ключа, выход которого объединен со вторыми выводами первого, второго и четвертого резисторов, а также с первым выводом первого конденсатора и инвертирующим входом первого ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом первого конденсатора и с неинвертирующим входом компаратора, выход которого является выходом устройства и соединен с управляющим входом первого ключа, пятый резистор соединен своим первым выводом с выходом третьего ключа, а вторым выводом соединен с первым выводом второго конденсатора и с инвертирующим входом второго ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом второго конденсатора и с информационным входом УВХ, выход которого подключен к информационному входу третьего ключа и к первому выводу четвертого резистора, вход синхронизации РИ соединен с выходом устройства, а первый, второй и третий выходы РИ подключены соответственно к управляющим входам второго ключа, третьего ключа и УВХ, информационный вход второго ключа соединен с шиной третьего опорного напряжения, а выходы второго и третьего ключей объединены.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема предлагаемого изобретения, на фиг.2 – временные диаграммы его работы, на фиг.3 – возможный вариант реализации РИ.

Широтно-импульсный модулятор содержит шину развертывающего сигнала 1, шину входного сигнала 2, шины первого 3, второго 4 и третьего 5 опорных сигналов, интегросумматор 6, образованный первым 7, вторым 8, третьим 9 и четвертым 10 резисторами, а также первым ключом 11, первым конденсатором 12 и первым ОУ 13, второй 14 и третий 15 ключи, пятый резистор 16, второй конденсатор 17, второй ОУ 18, УВХ 19, компаратор 20 и РИ 21, причем шина развертывающего сигнала 1 соединена с инвертирующим входом компаратора 20, шина входного сигнала 2 соединена с первым выводом первого резистора 7, шины первого 3 и второго 4 опорных сигналов подключены к первым выводам соответственно второго 8 и третьего 9 резисторов, второй вывод третьего резистора 9 соединен с информационным входом первого ключа 11, выход которого объединен со вторыми выводами первого 7, второго 8 и четвертого 10 резисторов, а также с первым выводом первого конденсатора 12 и инвертирующим входом первого ОУ 13, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом первого конденсатора 12 и с неинвертирующим входом компаратора 20, выход которого является выходом устройства и соединен с управляющим входом первого ключа 11, пятый резистор 16 соединен своим первым выводом с выходом третьего ключа 15, а вторым выводом соединен с первым выводом второго конденсатора 17 и с инвертирующим входом второго ОУ 18, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом второго конденсатора 17 и с информационным входом УВХ 19, выход которого подключен к информационному входу третьего ключа 15 и к первому выводу четвертого резистора 10, вход синхронизации РИ 21 соединен с выходом устройства, а первый, второй и третий выходы РИ 21 подключены соответственно к управляющим входам второго ключа 14, третьего ключа 15 и УВХ 19, информационный вход второго ключа 14 соединен с шиной третьего опорного напряжения 5, а выходы второго 14 и третьего 15 ключей объединены.

Модулятор осуществляет развертывающее преобразование входного сигнала, представленного в форме напряжения, в широтно-импульсный сигнал с постоянным периодом и переменной длительностью импульса. Выходной величиной является относительная длительность импульса ШИМ-сигнала:

где – длительность импульса, а Т – период следования импульсов. Временные диаграммы работы модулятора приводятся на фиг.2.

Распределитель импульсов 21 управляется выходным ШИМ-сигналом устройства, состоящим из последовательности прямоугольных импульсов, и функционирует по следующему алгоритму.

В момент возникновения первого по счету входного импульса на первом выходе РИ 21 появляется единичный сигнал, который переходит в нулевой в момент окончания этого импульса. На втором и третьем выходах РИ 21 присутствуют нулевые сигналы.

В момент прихода второго импульса сигналы на всех выходах РИ 21 сохраняют свои значения, а в момент окончания этого импульса на втором выходе РИ 21 возникает единичный сигнал и удерживается до появления третьего импульса. На первом и втором выходах РИ 21 в это время действуют нулевые сигналы.

С приходом третьего импульса сигнал на втором выходе РИ 21 обнуляется, а сигнал на его третьем выходе принимает единичное значение. На первом выходе РИ 21 сохраняется нулевой сигнал. Это состояние, вне зависимости от длины третьего импульса, не изменяется до момента прихода четвертого импульса ШИМ-сигнала.

Реакция РИ 21 на четвертый управляющий импульс совпадает с реакцией на первый импульс. Далее процесс повторяется циклически в трехтактном режиме.

Допустима любая реализация РИ 21, удовлетворяющая приведенному алгоритму. Один из возможных вариантов показан на фиг.3.

Нелинейный широтно-импульсный модулятор работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени t₀ на шине входного сигнала устройства действует некоторое напряжение U₀, постоянное или медленно изменяющееся. На выходе УВХ 19 действует некоторое напряжение U(19)₀.

Развертывающее напряжение U_p, действующее на одноименной шине 1, имеет пилообразную форму. В момент времени t₀ оно равно 0, после чего линейно возрастает до некоторого граничного значения U_оп с периодом Т. Аналитическое выражение U_p имеет следующий вид:

где 1 – единичная ступенчатая функция.

Выходное напряжение интегросумматора 6 U(6) является функцией входного напряжения U_вх, двух опорных напряжений U_оп1 и U_оп2, выходного сигнала УВХ 19 U(19) и сопротивлений первого 7, второго 8, третьего 9 и четвертого 10 резисторов. Он также зависит от выходного сигнала , так как ШИМ-сигнал с выхода компаратора непосредственно управляет состоянием первого ключа 11. Сигнал на выходе УВХ 19 U(19) в свою очередь зависит от и U_оп3.

Из схемы устройства, приведенной на фиг.1, с очевидностью следует, что возрастание напряжения на шине входного сигнала 2 приводит к убыванию выходного сигнала интегросумматора 6 при неизменных сигналах на остальных его входах, и наоборот. Предположим, что входное напряжение U_вх отрицательно и нарастает по абсолютной величине в промежутке от t₀ до t₃, после чего остается неизменным.

Предположим также, что в течение всего преобразования баланс токов интегросумматора 6 обеспечивает на его выходе положительный сигнал U(6). При сравнении U_p и U(6) посредством компаратора 20 на выходе последнего возникает ШИМ-сигнал с периодом Т, длительность импульса которого пропорциональна U(6).

РИ 21, второй 14 и третий 15 ключи, пятый резистор 16, второй конденсатор 17, второй ОУ 18 и УВХ, работая в циклическом трехтактном режиме, реализуют функцию умножения или демодуляции выходного ШИМ-сигнала. При этом происходит распределение во времени процессов накопления опорного напряжения и сигнала по обратной связи, а также выборки напряжения второго ОУ 18 посредством УВХ 19. Значения логических сигналов на выходах РИ 21, состояния второго 14 и третьего 15 ключей, а также УВХ 19 для некоторых интервалов времени приведены в таблице. В таблице использованы следующие обозначения: Рз – разомкнут, Зм – замкнут, Вб – выборка, Хр – хранение.

В первом такте напряжение U_p линейно нарастает (строка 1 таблицы) и в момент времени t₀‘ совпадает с сигналом U(6). Это соответствует импульсу выходного ШИМ-сигнала, возникающему на выходе компаратора 20. РИ 21 в этот период вырабатывает на выходе 1 единичный управляющий сигнал, замыкающий второй ключ 14. Напряжение U_оп3 через второй ключ 14, замкнутый этим управляющим сигналом, интегрируется при помощи пятого резистора 16, второго конденсатора 17 и второго ОУ 18, в результате чего на выходе последнего формируется некоторый сигнал U(18)₁.

В момент окончания импульса ШИМ-сигнала t₀‘ (строка 2 таблицы) управляющий сигнал на выходе 1 РИ 21 обнуляется и сформированное к этому времени напряжение U(18)₁ сохраняется на выходе второго ОУ 18, так как третий ключ 15 также разомкнут нулевым управляющим сигналом с выхода 2 РИ 21.

Во втором такте (строка 3 таблицы) с приходом импульса ШИМ-сигнала состояние выходов РИ 21 не изменяется, и сигнал U(18)₁ продолжает сохраняться. Входной сигнал устройства при этом нарастает по абсолютной величине, что приводит к увеличению U(6) и, соответственно, по сравнению с предыдущим тактом. С увеличением возрастает влияние опорного сигнала U_оп2 на U(6).

В момент времени t₁‘ заканчивается импульс ШИМ-сигнала и на выходе 2 РИ 21 появляется единичный сигнал (строка 4 таблицы). Это вызывает замыкание третьего ключа 15, в результате чего напряжение U(19)₀ с выхода УВХ 19 поступает на пятый резистор 16 и формирует на выходе второго ОУ 18 некоторое напряжение U(18)₂. Входной сигнал продолжает увеличиваться, что приводит к увеличению U(6) и, соответственно, по сравнению с предыдущим тактом. Влияние опорного сигнала _оп2 на U(6) также увеличивается.

В третьем такте (строка 4 таблицы) с приходом импульса ШИМ-сигнала выход 2 РИ 21 обнуляется, а на выходе 3 РИ 21 вырабатывается единичный сигнал, что приводит к размыканию третьего ключа 15 и к переключению УВХ 19 в режим выборки. На выходе УВХ 19 устанавливается напряжение U(19)₃, равное U(18)₂.

Следующий, четвертый, такт работы устройства протекает аналогично первому, что соответствует строкам 1 и 2 таблицы. Этапы процесса демодуляции выходного сигнала и всего преобразования будут, таким образом, циклически повторяться, и длительность этого цикла составит три такта.

Сигнал, полученный из посредством демодуляции, пропорционален , но противоположен U_оп3 по знаку. Увеличение длительности в первом и втором тактах второго цикла повлечет за собой увеличение U(19) по модулю. Для того чтобы имела место отрицательная обратная связь по , это увеличение должно приводить к уменьшению U(6) и, соответственно, , поэтому в данном случае U_оп3 должен быть положительным.

Определим функциональную характеристику модулятора. В соответствии с алгоритмом работы РИ 21 аргументами функции демодуляции являются как прямой (), так и инвертированный (1-) выходной сигнал. Для нахождения этой функции запишем выражение для U(19):

где = R5C2, причем R5 – сопротивление пятого резистора 16, а С2 – емкость второго конденсатора 17. Выражение (3) легко преобразуется к виду

В установившемся режиме функция демодуляции будет выглядеть следующим образом:

Кроме того, в установившемся режиме токи интегросумматора 6 сбалансированы, то есть их алгебраическая сумма равна 0. Для нахождения функции модулятора запишем выражение для этой суммы:

откуда

где R1, R2, R3, R4 – сопротивления резисторов соответственно первого 7, второго 8, третьего 9 и четвертого 10.

Выходной сигнал будет определяться как результат функции, обратной выражению (6) относительно U_вх:
= F^-1(U_вх). (7)
Из выражений (5) и (6) видно, что функция передачи модулятора принципиально не зависит от значения постоянной времени интегрирования . Тем самым показано, что присущая прототипу погрешность, вызываемая разностью фактических величин сопротивлений пятого и шестого резисторов, в заявляемом устройстве исключена по причине отсутствия шестого резистора, а значит, повышена точность преобразования входного напряжения в относительную длительность импульса ШИМ-сигнала.

Кроме отмеченного повышения точности, устройство обладает лучшей технологичностью. Согласно вышесказанному в структуру широтно-импульсного модулятора введены только цифровые компоненты, а два прецизионных резистора могут быть заменены одним непрецизионным. В настоящее время цифровые компоненты значительно доступнее и практичнее прецизионных аналоговых, так как они существенно дешевле, более технологичны в интегральном исполнении и имеют лучшие массогабаритные показатели по сравнению с дискретными прецизионными и сверхпрецизионными элементами. Тем самым достигается упрощение широтно-импульсного модулятора по сравнению с прототипом, повышается надежность устройства, снижается его стоимость.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Смолов В. Б, Угрюмов Е.П., Артамонов А.Б. и др. Времяимпульсные вычислительные устройства. /Под ред. В.Б. Смолова, Е.П. Угрюмова. -М.: Радио и связь, 1983.

2. А. С. 1309292 СССР, МКИ⁴ Н 03 К 7/08. Щиротно-импульсный модулятор. /Герасимов И. В., Евстигнеев А.Н., Исакеев А.И., Сафьянников Н.М., Филиппов Е.В – Опубл. 07.05.1987. – Бюл. 17.

3. А. С. 731573 СССР, МКИ³ Н 03 К 7/08. Широтно-импульсный модулятор. /Смолов В.Б., Герасимов И.В., Угрюмов Е.П., Толстобров Б.Я., Гольденберг М. Л., Байков М.С., Сафьянников Н.М. – Опубл. 30.04.1980. – Бюл. 16.

4. А. С. 1644370 СССР, МКИ⁵ Н 03 К 7/08. Широтно-импульсный модулятор. /Евстигнеев А.Н, Кузьмина Т.Г., Потоцкий А.П., Сафьянников Н.М., Соколов Ю. Д., Череватый А.В. – Опубл. 23.01.1991. – Бюл. 15 (прототип).

Формула изобретения

Широтно-импульсный модулятор, содержащий шину развертывающего сигнала, шину входного сигнала, шины первого, второго и третьего опорных сигналов, интегросумматор, образованный первым, вторым, третьим и четвертым резисторами, а также первым ключом, первым конденсатором и первым операционным усилителем, второй и третий ключи, пятый резистор, второй конденсатор, второй операционный усилитель, устройство выборки-хранения, компаратор, причем шина развертывающего сигнала соединена с инвертирующим входом компаратора, шина входного сигнала соединена с первым выводом первого резистора, шины первого и второго опорных сигналов подключены к первым выводам соответственно второго и третьего резисторов, второй вывод третьего резистора соединен с информационным входом первого ключа, выход которого объединен со вторыми выводами первого, второго и четвертого резисторов, а также с первым выводом первого конденсатора и инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом первого конденсатора и с неинвертирующим входом компаратора, выход которого является выходом устройства и соединен с управляющим входом первого ключа, пятый резистор соединен своим первым выводом с выходом третьего ключа, а вторым выводом соединен с первым выводом второго конденсатора и с инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом второго конденсатора и с информационным входом устройства выборки-хранения (УВХ), выход которого подключен к информационному входу третьего ключа и к первому выводу четвертого резистора, отличающийся тем, что в него дополнительно введен распределитель импульсов, вход синхронизации которого соединен с выходом устройства, а первый, второй и третий выходы подключены соответственно к управляющим входам второго ключа, третьего ключа и УВХ, информационный вход второго ключа соединен с шиной третьего опорного напряжения, а выходы второго и третьего ключей объединены.

РИСУНКИ

RH4A – Выдача дубликата патента Российской Федерации на изобретение

Дата выдачи дубликата: 20.06.2007

Наименование лица, которому выдан дубликат:

Сафьянников Николай Михайлович (RU)

Извещение опубликовано: 20.08.2007 БИ: 23/2007