Время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции Российский патент 2020 года по МПК H03K3/13 

Изобретение относится к прецизионной импульсной электронике и может использоваться в электронных системах автоматического управления и регулирования, в телекоммуникационных системах и измерительной технике.

Известны время-импульсные преобразователи напряжения в частоту следования прямоугольных импульсов (ПНЧ), также называемые в электронике управляемыми генераторами импульсов и частотно-импульсными модуляторами. Известны время-импульсные преобразователи напряжения во время (ПНВ), точнее - во временной интервал (длительность импульсов или период их следования).

Схемотехника ПНЧ и ПНВ, анализ их функций преобразования, метрологических характеристик и особенностей практического использования широко представлены в технической литературе [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: «Энергоатомиздат», 1988. - 304 с, стр. 256; Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: «Радио и связь», 1985. - 304 с, стр. 133; Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: «Додека-ХХ1», 2005. - 528 с, стр. 199; Р. Граф Электронные схемы: 1300 примеров. - М.: «Мир», 1989. - 688 с, стр. 600; Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: «Энергоатомиздат», 1990. - 320 с, стр. 251].

Все ПНЧ и ПНВ, описанные в вышеперечисленных и других технических изданиях, объединяет одинаковый принцип действия -двухтактное интегрирование, использование интегратора на операционном усилителе и компаратора напряжения (однопорогового или регенеративного двухпорогового).

Среди многочисленных известных схемотехнических вариантов ПНЧ следует выделить ПНЧ двухтактного интегрирования с заданным одним тактом посредством одновибратора, содержащего два источника стабильного тока и источник стабильного опорного напряжения, отличающегося высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, что обусловило его промышленное производство в виде отечественной интегральной микросхемы (ИМС) К1108ПП1 (зарубежные аналоги - VFC-32 и другие).

Среди многих известных вариантов реализации ПНВ выделяется преобразователь двухтактного интегрирования с заданным одним тактом с помощью счетчика импульсов и генератора тактовых импульсов, который лежит в основе отечественных ИМС интегрирующих аналого-цифровых преобразователей К572ПВ2, К572ПВ5 и К572ПВ6 (зарубежные аналоги - ICL7107, ICL7135 и другие).

Известные ПНЧ и ПНВ имеют недостаток, заключающийся в том, что они могут выполнять только один вид преобразования входного напряжения, который реализуется данным электронным изделием.

Наиболее близким по технической сущности (схемотехнике и принципу действия) и достигаемому результату является время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения [патент на изобретение №2689805, 29.05.2019, бюл. №16, МПК-Н03К 3/13], состоящий из интегратора, двухпорогового регенеративного компаратора, выполненных на операционных усилителях, и четырехканального аналогового коммутатора и двух повторителей напряжения, каждый из которых может функционировать как инвертирующий, так и неинвертирующий повторитель напряжения в зависимости от состояния двухпорогового регенеративного компаратора.

Названный выше время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения предназначен для реализации как функции ПНЧ, так и функции ПНВ, причем, с возможностью одновременного выполнения арифметической операции деления, и является прототипом заявленного интегрирующего преобразователя.

Однако, этот интегрирующий преобразователь нельзя называть в полной мере универсальным, так как он не выполняет операцию широтно-импульсного преобразования напряжения, называемую в электронике широтно-импульсной модуляцией. Широтно-импульсные модуляторы (ШИМ) - очень востребованные время-импульсные устройства электроники.

Задачей изобретения является полная универсализация время-импульсного универсального интегрирующего преобразователя (УИП).

Технический результат - значительное расширение функциональных возможностей УИП за счет того, что заявленный универсальный интегрирующий преобразователь с функцией ШИМ (УИП-ШИМ) может выполнять все три вида важнейших функций преобразования в электронике: преобразование входного напряжения в частоту следования выходных прямоугольных импульсов, во временной интервал, в скважность следования импульсов и все эти виды преобразования с одновременным выполнением арифметической операции деления, причем, без изменения электрической схемы УИП-ШИМ и без использования в ней источников стабильного тока и (или) источника стабильного опорного напряжения.

Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что во время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь с функцией ШИМ, состоящий из интегратора и двухпорогового регенеративного компаратора, выполненных на операционных усилителях, аналогового четырехканального коммутатора и двух повторителей напряжения, каждый из которых может функционировать как инвертирующий, так и неинвертирующий повторитель напряжения в зависимости от состояния двухпорогового регенеративного компаратора, введен третий вход, служащий для выбора функций преобразования входных напряжений: если две клеммы этого входа разомкнуты, то осуществляется преобразование входного напряжения в частоту следования выходных прямоугольных импульсов или во временной интервал, если же клеммы замкнуты перемычкой, то сигнальная клемма первого входа через резистор соединяется с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора и реализуется функция широтно-импульсной модуляции входного напряжения с арифметической операцией деления или без нее.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.

На фиг. 1 представлена электрическая схема УИП-ШИМ, включающая в себя четырехканальный аналоговый коммутатор DA1, операционные усилители (ОУ) DA2 и DA3, включенные по схеме повторителей напряжения, операционные усилители DA4 и DA5, на которых реализованы соответственно двухпороговый неинвертирующий регенеративный компаратор и инвертирующий интегратор напряжения, и три входа схемы, необходимые для подключения двух входных напряжений U_вх.1, U_вх.2 и перемычки Z к клеммам 1 и 2 третьего входа.

Третий вход служит для выбора режима работы УИП-ШИМ. Если перемычка Z не подключена к Вх.3, то УИП-ШИМ выполняет преобразование отношения входных напряжений U_вх.2/U_вх.1 в частоту следования выходных прямоугольных импульсов или отношения U_вх.1/U_вх.2 во временной интервал (в длительность выходных импульсов или в период их следования). Если перемычка Z включена между клеммами 1 и 2 третьего входа, УИП-ШИМ осуществляет широтно-импульсную модуляцию частного от деления U_вх.2/U_вх.1.

На фиг. 2 и фиг. 3 представлены временные диаграммы выходного напряжения интегратора U_инт(t), выходного напряжения УИП-ШИМ U_вых(t), пороговые напряжения и двухпорогового регенеративного компаратора на ОУ DA4, и таблица состояния ключей S₁-S₄ аналогового коммутатора DA1 на первом и втором тактах интегрирования входного напряжения интегратора.

Рассмотрим принцип действия и функции преобразования УИП-ШИМ, предполагая, что внутреннее сопротивление источников входных сигналов U_вх.1 и U_вх.2 и остаточное сопротивление замкнутых ключей S₁-S₄ пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлениями R₁, R₃, R₄ и R₆. Пренебрежем также током утечки разомкнутых МДП-ключей S₁-S₄ интегрального коммутатора DA1 и сдвигом нуля (разбалансом) операционных усилителей DA2 - DA5.

Все эти факторы могут учитываться в процессе настройки реального УИП-ШИМ на основе требований технического задания.

На ОУ DA3 и DA4 построены повторители напряжения. Если сопротивления R₁=R₂=R₃=R₄=R₅=R₆, то при замкнутых МДП-ключах S₁ и S₃ (S₂, S₄ - разомкнуты), как это показано на фиг. 1, получаем инвертирующие повторители (K=-R₂/R₁=-R₅/R₄=-1). Когда ключи S₁ и S₃ разомкнуты, а ключи S₂, S₄ будут замкнуты повторители напряжения становятся неинвертирующими.

Обе пары ключей четырехканального коммутатора DA1 управляются выходными импульсами регенеративного компаратора на операционном усилителе DA4. Диод VD1 обеспечивает однополярность выходных импульсов. Коммутатор DA1 имеет нормально разомкнутые ключи S₁ и S₃ и нормально замкнутые ключи S₂ и S₄. Это же состояние компаратора наблюдается при отрицательном выходном напряжении компаратора на ОУ DA4 (сигнал управления А_упр - логический нуль).

Пороги срабатывания компаратора зависят от состояния коммутатора DA1. Если на выходе УИП-ШИМ действует высокий потенциал положительной полярности (сигнал управления коммутатором А_упр - логическая единица), то S₁ и S₃ - замкнуты, S₂ и S₄ - разомкнуты. Когда на выходе операционного усилителя DA4 напряжение отрицательно, и выходное напряжение УИП-ШИМ близко к нулю (А_упр - логический нуль), ключи коммутатора S₁ и S₃ - разомкнуты, ключи S₂ и S₄ - замкнуты. Значит, двухпороговый компаратор на операционном усилителе DA4 имеет управляемые входным напряжением U_вх.1 пороги срабатывания:

Инвертирующий интегратор на ОУ DA5 в зависимости от состояния ключей S₃ и S₄ интегрирует или положительное напряжение U_вх.2, когда S₃ разомкнут, S₄ замкнут или отрицательный входной сигнал - U_вх.2, если высокое напряжение (А_упр - логическая единица) на управляющем входе коммутатора DA1 (выходе УИП-ШИМ) обеспечивает состояние ключ S₃ -замкнут, S₄ - разомкнут.

Рассмотрим первый режим работы УИП-ШИМ, когда перемычка Z не подключена к клеммам 1 и 2 третьего входа, пользуясь диаграммами напряжений U_вых(t) и U_инт(t), представленными на фиг. 2.

При включении напряжений питания ОУ УИП-ШИМ начинается не рабочий (подготовительный) такт (на фиг. 2 - НТ), на выходе ОУ DA4 будет положительное напряжение , которое обусловит состояния ключей: S₁ и S₃ замкнуты, S₂ и S₄ разомкнуты. Тогда U₁=-U_вх.1 и устанавливается порог срабатывания компаратора ; на входе интегратора U₂=-U_вх.2, и на его выходе напряжение U_инт будет возрастать до тех пор, пока оно не достигнет порога . При этом на выходе УИП-ШИМ напряжение положительно (логическая «1»). В момент времени t₁ компаратор «опрокинется», на его выходе установится отрицательное напряжение , низкий потенциал на выходе УИП-ШИМ (логический «0») вызовет изменение состояния коммутатора, он переключится в состояние: S₁ и S₃ - разомкнуты, S₂ и S₄ - замкнуты. С этого момента времени (t₁) начинается первый такт интегрирования напряжения U₂=+U_вх.2, выходное напряжение интегратора начнет убывать. Этот процесс будет продолжаться до момента времени t₂, когда напряжение на выходе интегратора достигнет порога

Интервал времени T₁=t₂ - t₁ описывается уравнением:

решая которое, получаем длительность первого такта

где τ_и=R₁₀C₁ - постоянная времени интегратора.

В момент времени t₂ компаратор срабатывает. Его выходное положительное напряжение (логическая «1») вызывает замыкание ключей S₁, S₃ и размыкание ключей S₂, S₄. Автоматически устанавливаются порог срабатывания и входное напряжение интегратора U₂=-U_вх.2. Начинается второй такт интегрирования (процесс разинтегрирования напряжения ). Он заканчивается в момент времени t₃, когда будет выполнено условие:

Второй такт работы преобразователя подчиняется уравнению:

из которого находим длительность второго такта

Видим, что длительности первого и второго тактов всегда равны и пропорциональны частному от деления U_вх.1 на U_вх.2. Это же относится к периоду следования импульсов на выходе УИП-ШИМ:

Частота выходного импульсного напряжения U_вых

Из формул (1), (2), (3) и (4) следуют выводы:

1. УИП может использоваться как ПНВ, если принять U_вх.2=U₀.

Тогда

где U₀ - заданное внешнее опорное напряжение.

2. УИП-ШИМ может функционировать как ПНЧ, установив U_вх.1=U₀.

Тогда

3. УИП-ШИМ можно использовать как аналоговый делитель с представлением частного от деления в виде интервалов времени Т₁, Т₂, Т=Т₁+Т₂ или частоты f выходного импульсного напряжения.

Итак, в первом режиме работы УИП-ШИМ, при котором перемычка Z не установлена между клеммами 1 и 2 третьего входа, эквивалентен прототипу (патент на изобретение №2689805).

Второй режим работы УИП-ШИМ имеет место, когда перемычка Z на Вх.3 замыкает клеммы 1 и 2, и он реализует функцию широтно-импульсного модулятора.

Первый такт интегрирования начинается в момент времени t₁, после завершения нерабочего такта (НТ, фиг. 3) от момента включения электропитания съемы (t=0) до момента t₁ срабатывания компаратора на ОУ DA4, в котором четырехканальный коммутатор DA1 переключается в состоянии: S₁, S₃ - выключены; S₂, S₄ - включены. Следовательно, в первом такте устанавливается отрицательный по полярности порог срабатывания регенеративного компаратора на ОУ DA4 , где U₁=U_вх.1, и интегратор интегрирует сумму входных напряжений U_вх.1+U_вх.2. Этот процесс интегрирования заканчивается в момент времени t₂, при котором выходное напряжение интегратора достигает отрицательного порога срабатывания компаратора

В первом такте функционирования преобразователя выходное напряжение Uвых УИП-ШИМ низкое, соответствующее логическому нулю, и процесс интегрирования суммы входных напряжений U_вх.1+U_вх.2 описывается уравнением:

если считать R₁₀=R₁₁.

Из этого уравнения находится длительность первого такта

Второй такт интегрирования начинается в момент времени t₂, когда двухпороговый компаратор срабатывает, выходное напряжение преобразователя U_вых становится высоким (соответствует уровню логической единицы), что вызывает изменение состояния коммутатора DA1: ключи S₁, S₃ - включены; S₂, S₄ - выключены. Значит, порог срабатывания компаратора устанавливается положительным , и интегратор интегрирует разность входных напряжений U_вх.1 - U_вх.2, и его выходное напряжение увеличивается от уровня до положительного значения за интервал времени t₃ - t₂, то есть за время длительности второго такта T₂.

Значит, второй такт интегрирования алгебраической разности двух входных напряжений характеризуется уравнением:

из которого находится длительность второго такта

Период следования выходных импульсов

Скважность следования выходных импульсов S найдется в виде отношения Т₂/Т или

откуда следует, что рассматриваемая схема представляет собой широтно-импульсный модулятор частного от деления U_вх.2/U_вх.1. Так как 0<S<1, то следует принять во внимание ограничение: U_вх.2<U_вх.1

Функция широтно-импульсного модулятора примет вид (как показано на фиг. 4):

если U_вх.1=U₀, то есть оно является внешним опорным напряжением U₀. Необходимо отметить:

во-первых, если в качестве аналогового коммутатора использовать интегральный коммутатор металлокисел-полупроводниковой структуры, то сигнал управления А_упр не будет искажать процессы прохождения входных напряжений УИП-ШИМ U_вх.1 и U_вх.2 на входы повторителей напряжения на ОУ DA2 и DA3;

во-вторых, на входе интегратора на ОУ DA5 нет никаких коммутационных элементов, значит, коммутационные переходные процессы не могут иметь возможности влиять на интегрирование выходных напряжений интегратора;

в-третьих, в УИП-ШИМ не содержатся ни опорные источники стабильного тока, ни опорные источники стабильного напряжения, что способствует повышению стабильности функций преобразователя УИП-ШИМ, а напряжение U0 при реализации режимов работы ПНЧ, ПНВ и ШИМ в состав УИП-ШИМ не входит;

в-четвертых, анализ погрешностей преобразования УИП-ШИМ показывает, что нестабильность порогов срабатывания компаратора из-за температурного дрейфа выходного напряжения ОУ DA4 и сдвига нуля выходного напряжения ОУ DA5, и его дрейф по температуре не оказывают влияние на точность преобразования УИП-ШИМ во всех режимах функционирования;

в-пятых, в качестве выходного параметра УИП, функционирующего в режиме работы ПНВ, предпочтительно использовать период выходного импульсного напряжения, но не длительности тактов интегрирования T₁ и T₂, так как нестабильность остаточного сопротивления включенных ключей коммутатора S₁-S₄ по температуре пренебрежимо слабо влияет на погрешность УИП-ШИМ, работающего в режиме ПНВ, когда выходным параметром является период следования импульсов;

в-шестых, температурная нестабильность тока утечки разомкнутых ключей S₁-S₄ коммутатора DA1 в виде ИМС МОП-типа пренебрежимо мало влияет на температурную нестабильность УИП-ШИМ в любом режиме функционирования.

Итак, заявленный время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь с функцией широтно-импульсной модуляции может осуществлять преобразование входного напряжения, во-первых, в частоту следования выходных импульсов или во временной интервал, во-вторых, в скважность следования выходных прямоугольных импульсов, или все эти три вида преобразования с одновременным выполнением арифметической операции деления, причем, без изменения электрической схемы УИП-ШИМ и без использования в ней источника стабильного тока и (или) источника стабильного опорного напряжения.

Изобретение относится к импульсной электронике и может использоваться в электронных системах автоматического управления, в робототехнических и телекоммуникационных системах. Технический результат - значительное расширение функциональных возможностей универсального интегрирующего преобразователя (УИП) за счет того, что заявленный универсальный интегрирующий преобразователь с функцией ШИМ (УИП-ШИМ) может выполнять все три вида важнейших функций преобразования в электронике: преобразование входного напряжения в частоту следования выходных прямоугольных импульсов, во временной интервал, в скважность следования импульсов и все эти виды преобразования с одновременным выполнением арифметической операции деления, причем без изменения электрической схемы УИП-ШИМ и без использования в ней источников стабильного тока и (или) источника стабильного опорного напряжения. Для этого предложен время-импульсный УИП напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции, состоящий из четырех операционных усилителей, на которых реализованы интегратор, регенеративный компаратор и два повторителя напряжения, четырехканального аналогового коммутатора и трех входов, необходим для подключения двух входных напряжений и выбора функции преобразования. Если к третьему входу не подключена электропроводная перемычка, то преобразователь осуществляет преобразование частного от деления двух входных напряжений в частоту следования выходных импульсов и во временной интервал, если же клеммы третьего входа короткозамкнуты перемычкой, то сигнальная клемма первого входа соединяется через резистор с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора и будет выполняться функция широтно-импульсной модуляции. 4 ил.

Время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения, состоящий из интегратора, двухпорогового регенеративного компаратора, выполненных на операционных усилителях, и четырехканального аналогового коммутатора и двух повторителей напряжения, каждый из которых может функционировать как инвертирующий, так и неинвертирующий повторитель напряжения в зависимости от состояния двухпорогового регенеративного компаратора, отличающийся тем, что введен третий вход с возможностью выбора функций преобразования входных напряжений: если две клеммы этого входа разомкнуты, то осуществляется преобразование входного напряжения в частоту следования выходных прямоугольных импульсов или во временной интервал, если же клеммы замкнуты перемычкой, то осуществляется соединение сигнальной клеммы первого входа через резистор с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора и выполняется функция широтно-импульсной модуляции входного напряжения с арифметической операцией деления или без нее.