МОДУЛЯТОР СКВАЖНОСТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ Российский патент 2008 года по МПК H03K7/08 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, автоматике и может быть использовано, например, в системах автоматического регулирования с частотно-импульсной, широтно-импульсной, комбинированной частотно-скважностной модуляциями, в системах управления импульсных источников питания.

Известен времяимпульсный модулятор, использующий ждущий мультивибратор для формирования импульсов заданной длительности, в котором напряжение на интегрирующем конденсаторе, заряжаемом от источника неизменного тока, сравнивается с модулирующим напряжением, и в момент равенства этих напряжений генерируется импульс, заставляющий срабатывать запоминающее устройство, которое возвращается в исходное состояние синхронизирующими импульсами [2].

Недостатком этих устройств является то, что скважность модулированных импульсов не поддерживается при изменении периода синхронизирующей частоты. Целью изобретения является модуляция скважности импульсов.

Наиболее близким аналогом скважностно-импульсного модулятора является преобразователь частота-ток [1], обеспечивающий скважность импульсов на выходе запоминающего устройства, равную коэффициенту передачи питающего ИТУТ, и содержащий формирователь тактовых импульсов, фильтр нижних частот, пусковое устройство, обеспечивающее ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающееся в момент запуска устройства, одновибратор, состоящий из интегрирующего конденсатора, ключа разряда интегрирующего конденсатора, ключа шунтирования входа фильтра, устройства сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающего устройства, замыкающего ключи в момент равенства напряжений в устройстве сравнения и возвращаемого в исходное состояние тактовыми импульсами.

Модуляция скважности импульсов достигается тем, что модулятор, обеспечивающий скважность импульсов на выходе запоминающего устройства, равную коэффициенту передачи ИТУТ, и содержащий формирователь синхронизирующих импульсов, фильтр нижних частот, источник пускового тока, обеспечивающий ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающегося в момент запуска устройства, одновибратор, состоящий из интегрирующего конденсатора, ключа разряда интегрирующего конденсатора, ключа шунтирования входа фильтра, устройства сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающего устройства, формирующего выходную последовательность импульсов, модулированных по скважности, и замыкающего ключи в момент равенства напряжений в устройстве сравнения, размыкающего ключи при возвращении в исходное состояние синхронизирующими импульсами, содержит источник тока, управляемый током с регулируемым коэффициентом передачи, подключенный токоприемным входом к выходу фильтра нижних частот, обеспечивающий модуляцию импульсов выходной последовательности регулированием коэффициента передачи модулирующим сигналом и отражающий ток управления токоприемного входа или на один выход, имеющий коэффициент передачи тока, равный или больший единицы, который включается в контур обратной связи, генерирующий ток управления источника тока, управляемого током, и состоящий из последовательно соединенных интегрирующего конденсатора, фильтра нижних частот и токоприемного входа, или на два выхода, один из которых обеспечивает ток заряда подключенного к нему интегрирующего конденсатора, а второй, имеющий коэффициент передачи тока, равный или больший единицы, подсоединяется к входу фильтра нижних частот и образует контур генерирования тока управления вместе с последовательно включенными фильтром нижних частот и токоприемным входом.

На фиг.1 представлена функциональная схема модулятора скважностно-импульсного, содержащая формирователь тактовых импульсов 1, устройство сравнения (УС) 2, запоминающее устройство (ЗУ) 3, интегрирующий конденсатор 4, ключ разряда интегрирующего конденсатора 5, ключ шунтирования 6, источник тока, управляемый током 7, с регулируемыми коэффициентами передачи, отражающий ток управления токоприемной цепи на несколько выходов, фильтр нижних частот, образуемый конденсатором 8 и развязывающим диодом 9, источник пускового тока 10, источник опорного напряжения 11.

На фиг.2 представлена функциональная схема модулятора скважностно-импульсного, содержащая формирователь тактовых импульсов 1, устройство сравнения 2, запоминающее устройство 3, интегрирующий конденсатор 4, ключ разряда интегрирующего конденсатора 5, ключ шунтирования 6, источник тока управляемый током 7 с регулируемыми коэффициентами передачи, отражающий ток управления токоприемной цепи на несколько выходов, фильтр нижних частот, образуемый конденсатором 8 и развязывающим диодом 9, источник пускового тока 10.

В скважностно-импульсных модуляторах чертежи фиг.1 и фиг.2 сигнал синхронизирующей частоты F подается на вход формирователя 1, усиливающего и ограничивающего входной сигнал и создающего короткие тактовые синхроимпульсы по фронтам и/или срезам входного сигнала. Сформированная последовательность f синхроимпульсов с периодом повторения Т управляет одновибратором, включающим устройство сравнения 2, запоминающее устройство 3, интегрирующий конденсатор 4, ключи 5 и 6, управляемые с выхода запоминающего устройства, формирующего выходную последовательность G модулированных по длительности импульсов. Заряд интегрирующего конденсатора емкостью С осуществляется током i_c с одного из выходов ИТУТ 7, отражающего ток управления i токоприемного входа. Ток управления ИТУТ генерируется в контуре, являющимся петлей положительной обратной связи ИТУТ, и выделяется фильтром из последовательности импульсов тока, дозированных по заряду. Очередной синхронизирующий импульс восстанавливает запоминающее устройство, например, триггер, который размыкает ключи 5 и 6. Текущий цикл начинается с фаза заряда интегрирующего конденсатора 4. В течение фазы заряда напряжение u_C на интегрирующем конденсаторе 4 возрастает и сравнивается УС 2, например, компаратором, с опорным напряжением U_O. Длительность импульса выходной последовательности G, как и длительность фазы заряда Т_c интегрирующего конденсатора, отсчитываемые от начала текущего цикла, зависит от тока заряда и определяется из условия равенства напряжения на конденсаторе и опорного напряжения. Это условие обеспечивает постоянное значение заряда, интегрируемого конденсатором 4 в течении цикла. В момент равенства напряжений УС 2 генерирует импульс, заставляющий срабатывать ЗУ 3, которое замыкает ключи 5, 6. Начинается фаза разряда интегрирующего конденсатора. При замыкании ключа 6 вход фильтра шунтируется и ток i на его выходе поддерживается конденсатором 8. В течение фазы разряда ключи 5 и 6 остаются замкнутыми до тех пор, пока на другой вход ЗУ не поступит очередной синхронизирующий импульс с формирователя 1. По окончании текущего тактового импульса запоминающее устройство восстанавливается и начинается фаза заряда следующего цикла. Таким образом, в результате периодического воздействия тактовых импульсов на входе фильтра формируется последовательность, дозированных по заряду (Q=C·U₀), импульсов ток i_a, имеющих скважность s=Т/Т_с. Последовательность сглаживается фильтром нижних частот, состоящего из развязывающего диода 9, и конденсатора 8 емкостью С_ф, резистивного элемента, включающего входное сопротивление ИТУТ. Ток i на выходе фильтра нижних частот является током управления ИТУТ. Короткие импульсы обеспечивают также разряд интегрирующего конденсатора, что необходимо в том случае, если напряжение на интегрирующем конденсаторе не достигло порогового значения за время прошедшего цикла и, следовательно, интегрирующий конденсатор не разрядился к началу следующего. Источник пускового тока 10 обеспечивает начальное возбуждение устройства, поддерживая в цепи фильтра произвольное значение тока I_п большее нуля до начала работы и отключая его в момент запуска по какому-либо условию, например, в момент появления частотной последовательности на входе преобразователя или при превышении выходным током какого-нибудь заданного значения.

В модуляторе (фиг.1) процесс формирования последовательности дозированных по заряду импульсов тока и процесс генерации тока управления ИТУТ осуществляются в одном контуре, включающим выход ИТУТ 7 с регулируемым коэффициентом передачи k(u_m), интегрирующий конденсатор 4, фильтр нижних частот, состоящий из конденсатора 8, разделительного диода 9 и резистивного элемента, включающего входное сопротивление токоприемного входа ИТУТ с регулируемым коэффициентом передачи. Потенциалы пластин времязадающего конденсатора зависят от падения напряжения на элементах фильтра нижних частот. Для обеспечения требуемой точности преобразования частоты источник опорного напряжения 11 поддерживает опорное напряжение с учетом изменения падения напряжения на фильтре. Опорное напряжение может быть постоянным, если изменение падения напряжения на фильтре при изменении тока управления ИТУТ незначительно, много меньше величины опорного напряжения, и обеспечивается достаточная стабильность заряда импульсов тока, протекающих через интегрирующий конденсатор.

В модуляторе (фиг.2) процессы периодического заряда интегрирующего конденсатора и генерации тока управления разделены. Периодический заряд интегрирующего конденсатора осуществляет с выхода ИТУТ 7 с регулируемым коэффициентом передачи k_c(u_m), а генерирование тока заряда происходит в контуре, включающим другой выход ИТУТ с регулируемым коэффициентом передачи k(u_m), фильтр нижних частот, и токоприемный входа ИТУТ 7. Фильтр нижних частот состоит из конденсатора 8, диода 9, резистивного элемента токоприемного входа ИТУТ. Условием работы является постоянное отношение коэффициентов передачи k(u_m) и k_c(u_m).

В процессе воздействия последовательности синхронизирующих импульсов f при любом произвольном значении тока i(t) в данный момент времени переходные процессы, происходящие в модуляторе, приводят к тому, что ток i(t) стремится принять установившееся значение и форму. Форма пульсаций тока представляет собой непрерывную кусочно-гладкую кривую, состоящую из последовательно чередующихся восходящих и нисходящих участков, характер которых зависит от характеристики фильтра нижних частот. Постоянная составляющая тока управления ИТУТ и скважность импульсов на выходе запоминающего устройства не зависят от свойств фильтра, постоянная составляющая тока прямо пропорциональна частоте, а скважность импульсов, отношение периода цикла к длительности фазы заряда, устанавливается равной текущему значению коэффициента передачи k ИТУТ с регулируемым коэффициентом передачи. Условием возбуждения процессов является значение коэффициента передачи тока k, равное или большее единицы. При регулировании коэффициента передачи ИТУТ модулирующим сигналом u_m скважность импульсной последовательности G на выходе устройства является функцией модулирующего напряжения

Характер изменения скважности при изменении синхронизирующей частоты определяется характером изменения тока в генерирующем контуре при переходном процессе. Например, в обоих вариантах, учитывая, что для модулятора (фиг.1) коэффициент k_c=k, при вольтамперной характеристике u_ф=i·R+m·ϕ_Т·ln(i/I_S) резистивного элемента, представляющего цепочку из m - последовательно включенных p-n-переходов и резистора, скважность в n-м цикле переходного процесса связана с током в начале n-ого цикла зависимостью

где τ≈С_ф·(R+mϕ_TT/Q) - постоянная времени фильтра.

Оценку сходимости и устойчивости процессов в модуляторе при заданных параметрах преобразователя и любых начальных условиях дает анализ зависимости I_n+1=Y(I_n, T), где I_n - значения выходного тока в начале n-го цикла; I_n+1 - значение тока в начале следующего (n+1)-го цикла. Область определения функции разбивается на два интервала: 0<I_n≤I_cr и I_n≥I_cr В интервале 0<I_n<I_cr выходной ток нарастает экспоненциально и непрерывно, поскольку интегрирующий конденсатор не успевает зарядиться до порогового напряжения за время цикла. При I_n≥I_cr процесс принимает импульсный характер. Например, при вольтамперной характеристике резистивного элемента u_ф=i·R+m·ϕ_Т·ln(i/I_S) функция I_n+1=Y(I_n, T), отображающая при определенных допущениях достаточно точно процесс сходимости, принимает вид

где

При графическом изображении точка пересечения функции I_n+1=Y(I_n, T) и прямой I_n+1=I_n соответствует установившемуся режиму. Скважность импульсов в интервале I_n>I_cr больше единицы, а процесс изменения скважности в неустановившемся режиме описывается уравнением

В скважностно-импульсных модуляторах используется свойство преобразователя частота-ток, позволяющее поддерживать скважность импульсов тока заряда интегрирующего конденсатора и импульсов на выходе запоминающего устройства равной коэффициенту передачи управляемого током источника тока, охваченного обратной связью. Коэффициент передачи ИТУТ регулируется модулирующим сигналом и является функцией модулирующего напряжения k=k(u_m). В обоих вариантах реализации, приведенных на фиг.1 и фиг.2, обеспечивается один и тот же технический результат, модуляция импульсов по длительности, при которой скважность модулированных импульсов не зависит от синхронизирующей частоты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент RU 2274948 C2, 28.04.2004. Преобразователь частота-ток. Коркин В.В.

2. Справочник по радиоэлектронным устройствам. Том 1. /Под общей редакцией Куликовского А.А. - М.: Энергия, 1978, стр.425-427.

Модулятор скважностно-импульсный относится к области электроизмерительной техники и автоматики. Технический результат заключается в модуляции импульсов выходной последовательности по длительности, при которой скважность модулированных импульсов не зависит от синхронизирующей частоты, что достигается свойством устройства поддерживать скважность импульсов выходной последовательности, равной коэффициенту передачи управляемого током источника тока (ИТУТ), охваченного обратной связью. Коэффициент передачи ИТУТ регулируется модулирующим сигналом и является функцией модулирующего напряжения. 2 ил.

Модулятор скважностно-импульсный, содержащий формирователь тактовых импульсов, образующий короткие импульсы из фронтов импульсов синхронизирующей частоты, фильтр нижних частот, источник пускового тока, обеспечивающий ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающийся в момент запуска устройства, одновибратор, состоящий из интегрирующего конденсатора, ключа разряда интегрирующего конденсатора, ключа шунтирования входа фильтра, устройства сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающего устройства, формирующего выходную последовательность импульсов, замыкающего ключи устройства при равенстве напряжений в устройстве сравнения и размыкающего ключи при возвращении в исходное состояние тактовыми импульсами формирователя, отличающийся тем, что он содержит источник тока управляемый током с регулируемым коэффициентом передачи, подключенный токоприемным входом к выходу фильтра нижних частот, обеспечивающий модуляцию импульсов выходной последовательности регулированием коэффициента передачи модулирующим сигналом и отражающий ток управления токоприемного входа или на один выход, имеющий коэффициент передачи тока, равный или больший единицы, который включается в контур обратной связи, генерирующий ток управления источника тока управляемого током и состоящий из последовательно соединенных интегрирующего конденсатора, фильтра нижних частот и токоприемного входа, или на два выхода, один из которых обеспечивает ток заряда подключенного к нему интегрирующего конденсатора, а второй, имеющий коэффициент передачи тока, равный или больший единицы, подсоединяется к входу фильтра нижних частот и образует контур генерирования тока управления вместе с последовательно включенными фильтром нижних частот и токоприемным входом.