ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР Российский патент 2001 года по МПК H03K7/08 

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

Существует большое количество широтно-импульсных модуляторов, обобщенная схема которых описана в [1, с. 137-139]. Недостатком всех подобных устройств, выполненных по развертывающей схеме, является наличие в составе или требование внешнего генератора развертывающего сигнала, от параметров которого в значительной мере зависит точность преобразователя.

По более эффективной, с точки зрения точности и помехоустойчивости, следящей схеме реализовано устройство [2, с. 51]. Оно может быть использовано для широтно-импульсной модуляции совместно с генератором широтно-импульсной модулированной (ШИМ)-последовательности на основе двоичного кода. Его недостатком является низкая точность, обусловленная применением резистивного цифроаналогового преобразователя, не обеспечивающего при малой разрядности высокого разрешения, а при большой разрядности - высокой точности и линейности.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является решение, описанное в [3]. Рассмотренный широтно-импульсный модулятор и выбран в качестве прототипа. Прототип имеет более высокую точность по сравнению с устройством [1] вследствие того, что он выполнен как устройство следящего типа и не нуждается в генераторе развертывающего сигнала. Кроме того, в обратной связи этого устройства отсутствует резистивный цифроаналоговый преобразователь, не позволяющий обеспечить высокую точность, как в устройстве [2] .

В состав прототипа входят генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ), источник опорного напряжения (ИОН), компаратор, ключ, первый алгебраический сумматор и умножитель, причем выход ключа подключен к информационному входу первого интегратора, выход которого соединен с информационным входом УВХ, входной сигнал попадает на информационный вход второго интегратора, выход которого соединен со вторым входом компаратора, выход ИОН подключен к информационному входу третьего интегратора, чей выход соединен с первым входом умножителя, первый вход компаратора соединен с выходом умножителя, а выход - с информационным входом ключа, выход которого является выходом устройства, выход первого интегратора соединен с первым входом алгебраического сумматора, второй вход которого соединен с выходом УВХ, а выход подключен к второму входу умножителя, выход ГСИ подключен к управляющим входам первого, второго и третьего интеграторов, а также ключа и УВХ.

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

Недостатком прототипа является низкая точность, так как, по условию преобразования, постоянные времени всех трех интеграторов должны совпадать и быть равными периоду синхронизирующих импульсов на выходе ГСИ. Обеспечение этого условия представляет значительную трудность, и в результате преобразования будет содержаться погрешность, обусловленная фактическими значениями параметров пассивных компонентов, входящих в состав интеграторов.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы широтно-импульсного модулятора с одновременным упрощением устройства.

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 исключается погрешность, обусловленная фактическими значениями пассивных компонентов, входящих в состав устройства.

Поставленная задача решается путем создания устройства, содержащего ГСИ, ИОН, компаратор, первый ключ, интегратор, УВХ, распределитель импульсов (РИ), второй ключ и цифровой накапливающий формирователь ШИМ-сигнала (ЦНФ), причем выход первого ключа соединен со входом интегратора, выход которого соединен с информационным входом УВХ, выход ИОН соединен с информационным входом первого ключа, выход УВХ объединен с информационным входом второго ключа и инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого является входом широтно-импульсного модулятора, а выход соединен с информационным входом ЦНФ, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора и объединен со входом синхронизации РИ, первый, второй и третий выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа, второго ключа и УВХ, выходы первого и второго ключей объединены, а выход ГСИ соединен со входом синхронизации ЦНФ.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемого изобретения, на фиг. 2 - временные диаграммы его работы, а на фиг. 3 и 4 - возможные варианты реализации соответственно ЦНФ и РИ.

Широтно-импульсный модулятор содержит ГСИ 1, ИОН 2, компаратор 3, первый ключ 4, интегратор 5, УВХ 6, РИ 7, второй ключ 8 и ЦНФ 9, причем выход первого ключа 4 соединен со входом интегратора 5, выход которого соединен с информационным входом УВХ 6, выход ИОН 2 соединен с информационным входом первого ключа 4, выход УВХ 6 объединен с информационным входом второго ключа 8 и инвертирующим входом компаратора 3, неинвертирующий вход которого является входом устройства, а выход соединен с информационным входом ЦНФ 9, выход которого является выходом устройства и объединен с входом синхронизации РИ 7, три выхода которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа 4, второго ключа 8 и УВХ 6, выходы первого 4 и второго 8 ключей объединены, а выход ГСИ 1 соединен со входом синхронизации ЦНФ 9.

Модулятор осуществляет следящее 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
θ = τ/T,
где τ - длительность импульса, а T - период следования импульсов.

Один из возможных вариантов реализации ЦНФ 9 приводится на фиг. 3. ЦНФ 9 работает в непрерывном режиме и воспроизводит ШИМ-последовательность. Как нетрудно видеть, период импульсов этой последовательности определяется только частотой сигнала, действующего на входе синхронизации ЦНФ. Для предлагаемого ЦНФ он составляет 2^N периодов тактовой последовательности, где N - разрядность двоичного счетчика 9.5. Предположим, что стабильность ГСИ 1, с выходом которого соединен вход синхронизации ЦНФ 9, достаточно высока, поэтому для всего рассматриваемого промежутка времени период ШИМ-последовательности принимается постоянным и равным некоторому Т. Длительность импульса выходного сигнала в предложенном варианте ЦНФ 9 для текущего периода определяется числом, хранящимся в двоичном реверсивном счетчике 9.4. Счетчики 9.4 и 9.5, очевидно, имеют одинаковую разрядность. Максимальное значение длительности импульса равно 2^N периодов сигнала синхронизации, а минимальное - нулю. При этом элементы И 9.2 и 9.3 блокируют переход реверсивного счетчика 9.5 из состояния "2^N-1" в состояние "0" и наоборот, что позволяет избежать сбоев на границах диапазона. Таким образом, каждому периоду ШИМ-последовательности, или такту, можно сопоставить определенный цифровой эквивалент N_i длительности импульса, где i - номер такта. Это число периодов синхросигнала, составляющих длительность импульса ШИМ-последовательности. Соответственно, абсолютную и относительную длительности этого импульса в i-м такте обозначим как τ_i и θ_i. Такт, который начинается в момент времени t₀, будем считать первым.

Распределитель импульсов 7 управляется сигналом, состоящим из последовательности прямоугольных импульсов (например, ШИМ-сигналом), и функционирует по следующему алгоритму.

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

В момент прихода второго импульса на втором выходе возникает единичный сигнал и, независимо от длины второго импульса, удерживается до появления третьего импульса. На первом и втором выходах РИ в это время действуют нулевые сигналы.

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

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

Допустима любая реализация РИ, удовлетворяющая приведенному алгоритму. Один из возможных вариантов показан на фиг. 4.

Широтно-импульсный модулятор работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени t₀ на входе устройства действует некоторое напряжение U₀, постоянное или медленно изменяющееся. На выходе ЦНФ 9 присутствует ШИМ-сигнал, характеризуемый некоторым числом N₀ и, следовательно, τ_o и θ_o. На выходе УВХ 6 действует некоторое напряжение U(6)₀. Предположим для определенности, что U₀ > U(6)₀, вследствие чего на выходе компаратора 3 имеет место положительный сигнал.

ЦНФ 9 реагирует на этот сигнал увеличением длительности импульса ШИМ-последовательности на один период синхросигнала, то есть в первом такте длительность импульса характеризуется числом N₀+1. В последующих тактах этот процесс повторяется, с той лишь разницей, что отрицательный сигнал на выходе компаратора вызывает уменьшение длительности импульса выходного ШИМ-сигнала на один элементарный интервал за один такт.

РИ 7, первый 4 и второй 8 ключи, интегратор 5 и УВХ 6 осуществляют демодуляцию выходного ШИМ-сигнала, работая в циклическом трехтактном режиме с распределением во времени процессов накопления опорного напряжения и сигнала по обратной связи, а также выборки напряжения интегратора 5 посредством УВХ 6. Значения логических сигналов на выходах РИ 7, состояния первого 4 и второго 8 ключей, а также УВХ 6 для некоторых интервалов времени приведены в таблице.

В первом такте в течение импульса ШИМ-сигнала (строка 1 таблицы) напряжение U_оп от ИОН 2 через первый ключ 4, замкнутый единичным управляющим сигналом с выхода 1 РИ 7, проходит на вход интегратора 5, который накапливает это напряжение и формирует выходной сигнал U(5)₁.

В момент окончания импульса ШИМ-сигнала t'₀ (строка 2 таблицы) РИ 7 вырабатывает на выходе 1 нулевой управляющий сигнал, размыкающий первый ключ 4. Напряжение U_оп перестает проходить на вход интегратора 5, который переходит в режим хранения информации. На выходе интегратора 5 продолжает действовать напряжение U(5)₁.

Во втором такте (строка 3 таблицы) с приходом импульса ШИМ-сигнала на выходе 2 РИ 7 появляется единичный сигнал. Это вызывает замыкание второго ключа 8, в результате чего напряжение U(6)₀ с выхода УВХ 6 поступает на вход интегратора 5 и формирует на его выходе напряжение, равное некоторому значению U(5)₂.

В третьем такте (строка 4 таблицы) с приходом импульса ШИМ-сигнала выход 2 РИ 7 обнуляется, а на выходе 3 РИ 7 вырабатывается единичный сигнал, что приводит к размыканию второго ключа 8 и к переключению УВХ 6 в режим выборки. На выходе УВХ 6 устанавливается напряжение U(6)₁, равное U(5)₂.

В следующем такте на выходах 1, 2 и 3 РИ 7 установятся логические сигналы 1, 0 и 0 соответственно, причем единичный сигнал на первом выходе РИ 7 в момент окончания импульса выходного ШИМ-сигнала перейдет в нулевой, что будет соответствовать строкам 1 и 2 таблицы. Этапы процесса демодуляции будут, таким образом, в дальнейшем циклически повторяться, и длительность этого цикла составит три такта.

Для обозначения номеров трехтактных циклов применим индекс k, где а n - номер такта работы устройства. В конце каждого трехтактного цикла напряжение на выходе УВХ 6 устанавливается равным напряжению на выходе интегратора 5 в конце второго такта этого цикла. Это напряжение будет равно

где τ - постоянная времени интегратора 5;
τ_k - длительность импульса ШИМ-сигнала в первом такте k-го цикла;
U(6)_k-1 - напряжение на выходе УВХ 6 в предыдущем, (k-1)-м цикле.

Так как U(6)_k-1 и U_оп, очевидно, являются константами для цикла k, выражение (1) может быть преобразовано:

Для установившегося режима, когда τ_k= τ_k-1, где τ_k-1 - длительность импульса в цикле, предшествующем рассматриваемому, U(6)_k-1 = U(6)_k. Тогда выражение (2) примет следующий вид:

откуда

или

что равносильно
U(6)_k = θH, (4)
где коэффициент обратной связи H = -U_оп, a θ - относительная длительность выходного ШИМ-сигнала устройства.

Как следует из выражения (1), напряжение на выходе УВХ 6 в конце произвольного цикла k зависит только от двух величин, изменяющихся в процессе работы: длительности импульса ШИМ-сигнала в первом такте этого цикла τ_k и напряжения на выходе УВХ 6 в конце предыдущего цикла U(6)_k-1. Таким образом, при изменении длительности импульса ШИМ-сигнала в первом такте (k+1)-го цикла на величину Δτ, процесс перейдет в установившийся режим уже в конце этого цикла, т.е. через три такта:

Отметим, что второй ключ 8 замыкает цепь обратной связи интегратора 5 на время, равное длительности одного такта. Следовательно, время выборки УВХ 6 может также достигать величины периода ШИМ-сигнала t_выб=Т.

Таким образом, напряжение, прямо пропорциональное θ, формируется на инвертирующем входе компаратора 3 с помощью ИОН 2, первого 4 и второго 8 ключей, интегратора 5, УВХ 6 и РИ 7. В то же время, из логики работы ЦНФ 9, значение θ определяется соотношением θ_n= θ_n-1+Δθ_n, причем

где S есть величина зоны нечувствительности компаратора 3 по напряжению.

Последнее условие начинает выполняться в некоторый момент времени t_r (см. фиг. 2), когда разность между напряжениями на входе компаратора 3 входит в зону нечувствительности компаратора и выходная величина перестает возрастать. При этом длительность импульса выходного ШИМ-сигнала характеризуется числом N_r и имеет относительную длительность θ_r.
В установившемся режиме Δθ_n = 0, то есть разница между исходным и восстановленным из выходного сигнала напряжениями меньше величины зоны нечувствительности компаратора, то есть можно считать U≈U(6). Отсюда и из (4) следует выражение для передаточной функции модулятора:

причем U_оп должно быть противоположно U по знаку.

Из выражений (3) и (4) видно, что коэффициент передачи модулятора в принципе не зависит от значения постоянной времени интегратора τ. Тем самым показано, что присущая прототипу погрешность, вызываемая отклонениями реальных значений постоянных времени интеграторов друг от друга и от периода ШИМ-сигнала, в заявляемом устройстве отсутствует, 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 практически только цифровые компоненты, а исключены интеграторы, требующие по условию применения прецизионных резисторов и конденсаторов, а также сумматор и умножитель, также содержащие резисторы. В настоящее время цифровые компоненты значительно доступнее и практичнее прецизионных аналоговых, так как они относительно дешевле, более технологичны в интегральном исполнении и имеют существенно 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. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.

3. А. С. СССР N 1619391, МКИ⁵ H 03 K 7/08, опубл. 07.01.1991. Бюл. N 1 (прототип).

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) относится к электрическим схемам время-импульсных преобразователей и может применяться при построении смешанно-сигнальных измерительных приборов и вычислительных устройств (У). ШИМ, в цепи обратной связи которого осуществляется демодуляция выходного ШИМ-сигнала с разделением во времени этапов процесса преобразования, благодаря чему исключается погрешность, обусловленная фактическими значениями пассивных компонентов, входящих в состав У, содержит генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ) (1), источник опорного напряжения (ИОН) (2), компаратор (3), первый ключ (К) (4), интегратор (5), устройство выборки-хранения (УВХ) (6), распределитель импульсов (РИ) (7), второй К (8) и цифровой накапливающий формирователь ШИМ-сигнала (ЦНФ) (9). Выход первого К (4) соединен с входом интегратора (5), выход которого соединен с информационным входом УВХ (6), выход ИОН (2) соединен с информационным входом первого К (4). Выход УВХ (6) объединен с информационным входом второго К (8) и инвертирующим входом компаратора (3), неинвертирующий вход которого является входом ШИМ. Выход компаратора (3) соединен с информационным входом ЦНФ (9), выход которого является выходом ШИМ и объединен с входом синхронизации РИ (7), три выхода которого подключены к управляющим входам соответственно первого К (4), второго К (8) и УВХ (6). Выходы К (4) и (8) объединены, а выход ГСИ (1) соединен с входом синхронизации ЦНФ (9). Технический результат - повышение точности работы при одновременном упрощении устройства. 4 ил., 1 табл.

Широтно-импульсный модулятор, содержащий генератор синхронизирующих импульсов, источник опорного напряжения, компаратор, первый ключ, интегратор, устройство выборки-хранения, причем выход первого ключа соединен с входом интегратора, выход которого соединен с информационным входом устройства выборки-хранения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены распределитель импульсов, второй ключ и цифровой накапливающий формирователь широтно-импульсного модулированного (ШИМ) сигнала, причем выход источника опорного напряжения соединен с информационным входом первого ключа, выход устройства выборки-хранения объединен с информационным входом второго ключа и инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого является входом широтно-импульсного модулятора, а выход соединен с информационным входом цифрового накапливающего формирователя ШИМ-сигнала, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора и объединен с входом синхронизации распределителя импульсов, первый, второй и третий выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа, второго ключа и устройства выборки-хранения, выходы первого и второго ключей объединены, а выход генератора синхронизирующих импульсов соединен с входом синхронизации цифрового накапливающего формирователя ШИМ-сигнала.