Универсальный время-импульсный интегрирующий преобразователь напряжения с четырьмя функциями широтно-импульсной модуляции Российский патент 2024 года по МПК H03K5/156 

Изобретение относится к прецизионной импульсной электронике и может использоваться в автоматических системах управления, в телекоммуникационных системах промышленного и жилищно-коммунального назначения при передаче на большие расстояния информации о состоянии технического объекта, особенно перспективно при управлении мощными электроэнергопотребителями, когда снижение потерь в электроэнергии является первостепенным требованием, и электронных измерительных устройствах.

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 В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: “Энергоатомиздат”, 1988.-304 с., стр. 256; Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: “Радио и связь”, 1985. - 304 с., стр. 133; Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. - М.: “Додека-XX1”, 2005. - 528 с., стр. 199; Р. Граф Электронные схемы: 1300 примеров. - М.: “Мир”, 1989. - 688 с., стр. 600; П. Предшо, С. Гош, Х. Олдридж и др. Применение интегральных микросхем: практическое руководство в 2-х кн. Кн.1. Пер. с англ./ Под ред. А. Уильямса. - М.: “Мир”, 1987. - 432с., стр. 103; Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: “Электроатомиздат”, 1990. - 320с., 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.

Известен время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения [патент на изобретение РФ №2689805, 29.05.2019 г.], 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 не инвертирующий повторитель напряжения в зависимости от состояния 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.

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.

Близким к заявленному универсальному время-импульсному интегрирующему преобразователю напряжения по схемотехнике и достигаемому результату является время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции [патент на изобретение РФ №2731601, 04.09.2020 г.], 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 не инвертирующий 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 и без нее.

Недостатком этого время-импульсного универсального интегрирующего преобразователя напряжения является реализация только одного вида широтно-импульсной модуляции, и невозможность получения самого востребованного в электронике преобразования входного напряжения в скважность следования импульсов вида .

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей время-импульсного интегрирующего преобразователя напряжения в области широтно-импульсной модуляции напряжения.

Технический результат достигается универсальным время-импульсным интегрирующим преобразователем напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции, состоящим из трех входных клемм для включения входных напряжений, двух пар клемм для подключения двух электрических перемычек, двух инвертирующих повторителей напряжения, аналогового четырехканального коммутатора, интегратора, компаратора, выпрямительного диода и инвертирующего повторителя первого входного напряжения со смещением на величину второго входного напряжения, включенного во входную цепь интегратора, при этом первая клемма входного напряжения подключена к первому инвертирующему повторителю напряжения, к первой клемме первой пары клемм для подключения электрической перемычки и к аналоговому четырехканальному коммутатору, вторая клемма входного напряжения подключена ко второму инвертирующему повторителю напряжения и к аналоговому четырехканальному коммутатору, а третья клемма входного напряжения подключена к инвертирующем повторителю первого входного напряжения со смещением на величину второго входного напряжения, при этом вторая клемма первой пары клемм для подключения электрической перемычки подключена к интегратору, первая клемма второй пары клемм для подключения электрической перемычки подключена ко второму инвертирующему повторителю напряжения и к аналоговому четырехканальному коммутатору, а вторая клемма второй пары клемм для подключения электрической перемычки подключена к инвертирующему повторителю первого входного напряжения со смещением на величину второго входного напряжения, при этом первый и второй инвертирующие повторители напряжения подключены к аналоговому четырехканальному коммутатору, который подключен к интегратору и к компаратору, выходы компаратора являются выходами интегрирующего преобразователя напряжения, причем один из выходов соединен с выпрямительным диодом, подключенным к аналоговому четырехканальному коммутатору.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.1 - фиг.6. На фиг.1 представлена электрическая схема универсального время-импульсного интегрирующего преобразователя напряжения с четырьмя функциями широтно-импульсной модуляции (УВИИП-ШИМ). На фиг.2, фиг.3 и фиг.5 показаны временные диаграммы выходных напряжений интегратора и УВИИП-ШИМ, пороги срабатывания компаратора и положения ключей аналогового коммутатора, когда схема на фиг.1 находится в трех различных состояниях в зависимости от порядка использования ее внешних выводов (клемм). На фиг.4 и фиг.6 представлены функции преобразования входных напряжений рассматриваемой схемой в скважность следования выходных импульсов.

Схема УВИИП-ШИМ включает в себя пять интегральных операционных усилителей (ОУ) DA1-DA5, интегральный четырехканальный аналоговый коммутатор DA6, импульсный диод VD1, биполярный n-p-n транзистор VT1, резисторы R1-R17, три входа Вх.1, Вх.2 и Вх.3 для подключения входных напряжений и клеммы 1, 2 и 3, 4, которые могут замыкаться электрическими перемычками Z1 и Z2, соответственно.

На ОУ DA1 и DA2 реализованы два инвертирующих повторителя напряжений, в которых , . Если в схемах повторителей напряжений используются интегральные ОУ с полевыми транзисторами на входе, имеющие входные токи наноамперного уровня, то резисторы R3 и R6 можно исключить, заменив их проводниками.

ОУ DA4 используется в качестве компаратора напряжений на выходе ключей коммутатора S1, S2 и выходе инвертирующего интегратора на ОУ DA5. В рассматриваемой схеме резистор R12 можно исключить, заменив его, аналогично схемам повторителей напряжений на ОУ DA1 и DA2 проводниками.

Пороговые напряжения компаратора при равенстве сопротивлений , задаются напряжением на выходе ключей S1, S2 коммутатора на ОУ DA6: если это напряжение , то пороговое напряжение , когда на выходе коммутатора напряжение (отрицательно), порог срабатывания компаратора положительной полярности, .

На ОУ DA3 построен инвертирующий повторитель напряжения с напряжением смещения равным входному напряжению , подключенному к Вх.3. При использовании ОУ DA3 с полевыми транзисторами на входе резистор R7 можно исключить, как в схемах на ОУ DA1, DA2, DA4 и DA5.

Так как интегральные ОУ имеют очень большой коэффициент усиления по напряжению (многие десятки и сотни тысяч), его входное дифференциальное напряжение с достаточной точностью можно принять равным нулю, то есть использовать равенство где и - синфазные напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ DA3.

Поскольку входные токи ОУ DA3 пренебрежимо малы, и напряжение смещения , в рассматриваемой схеме действует равенство токов:

, (1)

откуда выходное напряжение ОУ DA3:

. (2)

При напряжение .

Аналоговый четырехканальный коммутатор DA6 (например, интегральная микросхема КР590КН7 или ее зарубежные аналоги) необходим для коммутации напряжения на неинвертирующем входе компаратора на ОУ DA4 и входного напряжения интегратора на ОУ DA5. Коммутатор DA6 управляется однополярным выпрямительным диодом VD1 выходным двухполярным напряжением компаратора на ОУ DA4, они же являются выходными напряжениями УВИИП-ШИМ относительно общей шины двухполярного источника электропитания и .

Токопроводящие каналы (ключи) S1, S2, S3 и S4 коммутатора DA6 используются в рассматриваемой схеме таким образом, чтобы попарно каналы S1, S3 и S2, S4 включались или выключались управляющим сигналом (напряжением ) в противофазе: если S1 и S3 включены, то S2 и S4 выключены; когда S1 и S3 выключены, тогда S2 и S4 включены.

В схеме на фиг.1 показано состояние ключей коммутатора DA6, когда напряжения на входе схемы и высокие, положительной полярности.

Биполярный n-p-n транзистор VT1 позволяет увеличить нагрузочную способность УВИИП-ШИМ и подключить к нему различные типы полупроводниковых приборов - фото и лазерные диоды, тиристоры и симисторы, а также высокочастотный генератор с антенной для передачи результата преобразования входных напряжений схемы на дальние расстояния.

Схема УВИИП-ШИМ может находиться в трех состояниях в зависимости от требуемого вида функции преобразования.

Состояние схемы 1: входные напряжения и подключаются к входам Вх.1 и Вх.2, клеммы Вх.3, 1, 2, 3 и 4 не используются. Выполняется преобразование входного напряжения и частного от деления в частоту выходного импульсного напряжения как в схеме прототипа.

В этом же состоянии схемы на фиг.1 осуществляется преобразование входного напряжения и частного от деления в длительность импульсов и период выходного напряжения и .

Состояние схемы 2: входные напряжения и подключаются к входам Вх.1 и Вх.2, клеммы 1 и 2 соединяются перемычкой Z1, клеммы 3 и 4 не используются. В этом состоянии схемы выполняется преобразование входного напряжения и частного от деления в скважность следования выходных импульсов с функцией преобразования вида:

. (3)

Состояние схемы 3: входные напряжения и подключаются к входам Вх.1 и Вх.3, клеммы 1, 2 и 3, 4 замыкаются перемычками, соответственно, Z1 и Z2. В данном состоянии схемы осуществляется преобразование входного напряжения и частного от деления в скважность следования выходных импульсов УВИПП-ШИМ

Рассмотрим время-импульсный процесс двухтактного интегрирования схемы УВИИП-ШИМ, когда схема находится в состоянии 1.

При включении двухполярного электропитания интегральных микросхем DA1-DA6 и входных напряжений и , неинвертированное по полярности напряжение устанавливает порог срабатывания компаратора на ОУ DA4 , если . С этого момента времени входное напряжение инвертирующего интегратора на ОУ DA5 начинает линейно уменьшаться, так как на его входе через замкнутый ключ S4 действует положительное напряжение . Как только выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания компаратора , напряжение положительной полярности на выходе компаратора вызывает выключение ключей S2 и S4 и включение ключей S1 и S3. С этого момента времени () начинается первый такт интегрирования отрицательного входного напряжения до положительного порога срабатывания компаратора .

Как только выходное напряжение интегратора на ОУ DA5 достигнет порога опрокидывания компаратора , его выходное напряжение положительной полярности , почти равное напряжению электропитания схемы, возвращает коммутатор на ОУ DA4 в состояние, когда S1 и S3 включены, S2 и S4 выключены. С этого момента времени () начинается снова интегрирование отрицательного входного напряжения .

Рассмотренный процесс двухтактного интегрирования продолжается в автоколебательном режиме до тех пор, пока схема подключена к напряжениям электропитания и на ее входах действуют входные напряжения и .

На фиг.2 представлены временные диаграммы порогового напряжения компаратора , выходного напряжения интегратора , выходного напряжения преобразователя , состояния токопроводных ключей S1-S4 коммутатора DA6, где и - длительность тактов интегрирования входного напряжения , - период следования входных импульсов.

В математическом виде процесс двухтактного интегрирования описывается уравнениями, в которых с целью получения простых формул принято равенство сопротивлений:

, (4)

где - постоянная времени интегратора.

Из уравнений (4) находится равенство:

(5)

и период выходного импульсного напряжения

. (6)

Из формул (5) и (6) следует, что длительность выходных импульсов и период их следования линейно зависит от частного от деления и от напряжения при фиксированной (заданной) величине напряжения .

Частота выходного импульсного напряжения , :

(7)

или при фиксированном напряжении

, (8)

откуда следует вывод: частота выходного импульсного напряжения и линейно зависит от частного от деления и от напряжения при фиксированном входном напряжении с коэффициентом преобразования напряжения .

Рассмотрим время-импульсный процесс двухтактного интегрирования УВИИП-ШИМ, когда схема находится в состоянии 2, при котором перемычка Z1 подключена к клеммам 1, 2 и, следовательно, интегратор интегрирует алгебраическую сумму входного напряжения и , полярность которого определяется состоянием ключей S3 и S4 коммутатора DA6.

После завершения нерабочего такта интегрирования (НТ), как показано на фиг.3, начинается интегрирование суммы напряжений так как ключи S2 и S4 замкнуты, а ключи S1 и S3 разомкнуты. Интегрирование суммы входных напряжений заканчивается, когда выходное напряжение интегратора отрицательной полярности достигает порога срабатывания компаратора: .

Процесс интегрирования разности входных напряжений описывается уравнением:

, (9)

из которого вычисляется длительность первого такта интегрирования

. (10)

В момент времени (фиг.3) компаратор возвращает аналоговый коммутатор на ОУ DA6 в состояние, при котором ключи S1 и S3 замкнуты, а ключи S2 и S4 разомкнуты выходным сигналом компаратора положительной полярности.

Второй такт интегрирования суммы входных напряжений характеризуется уравнением:

,

решением которого является длительность второго такта интегрирования

. (11)

Период следования входных импульсов компаратора на ОУ DA4 и УВИИП-ШИМ

. (12)

Скважность следования импульсов положительной полярности на выходе ОУ DA4 и схемы в целом определяется отношением длительности такта интегрирования к периоду выходного импульсного напряжения:

, (13)

откуда следует ограничение: , поскольку .

Из (13) видно, что скважность следования выходных импульсов линейно зависит от частного от деления , или от входного напряжения фиксированного на заданном уровне .

Функция преобразования показана на фиг.4-а.

Скважность следования импульсов отрицательной полярности на выходе ОУ DA4 и Вых.2 схемы .

Частное от деления (11) на (12):

. (14)

Если на выходе УВИИП-ШИМ требуется реализовать импульсное напряжение положительной полярности, то его нагрузку необходимо подключить к коллектору биполярного транзистора VT1 относительно шины положительного напряжения питания схемы, а его эмиттер соединить с общей шиной электропитания.

На фиг.4-б представлена функция преобразования:

. (15)

Рассмотрим время-импульсный процесс двухтактного интегрирования схемы УВИИП-ШИМ, находящейся в состоянии 3, в котором входные напряжения и подключены к входам Вх.1 и Вх.3 и установлены перемычки Z1 и Z2 к клеммам 1, 2 и 3, 4.

При включении двухполярного электропитания интегральных микросхем DA1-DA6 и входных напряжений и на выходах компаратора DA4 возникает напряжение отрицательной полярности, поэтому на выходе УВИИП-ШИМ и сигнал управления компаратором на ОУ DA6 практически равны нулю, так как диод VD1 смещен в обратном направлении. В этом, начальном состоянии схемы, ключи S2 и S4 замкнуты, ключи коммутатора DA6 S1 и S3 разомкнуты, порог срабатывания компаратора инвертирующий интегратор на ОУ DA5 интегрирует положительное напряжение до достижения на его выходе отрицательного порога срабатывания компаратора . Рассмотренный начальный процесс интегрирования в течение времени является нерабочим тактом (НТ).

После завершения нерабочего такта интегрирования (НТ), как показано на фиг.5, ключи коммутатора DA6 S1 и S3 замкнуты, ключи S2 и S4 разомкнуты, начинается первый такт интегрирования разности входного напряжения и инвертированного выходного напряжения ОУ DA3 , который описывается уравнением:

, (16)

решая которое получаем длительность первого такта интегрирования

. (17)

Во втором такте, при котором S1 и S3 разомкнуты, а ключи коммутатора DA6 S2 и S4 замкнуты, так как , интегрируется сумма напряжений .

Процесс интегрирования во втором такте, когда S1 и S2 разомкнуты, ключи S2 и S4 коммутатора замкнуты, характеризуется уравнением:

,

из которого находится длительность второго такта интегрирования

, (18)

Период следования импульсов на выходе ОУ DA4

или

. (19)

Скважность следования импульсов положительной полярности

, (20)

откуда видно ограничение: .

Из формулы (20) следует, что скважность следования импульсов на выходе УВИИП-ШИМ линейно зависти от частного от деления или от входного напряжения , при неизменном (фиксированном) напряжении . На фиг.6 показана функция преобразования (20).

Также как УВИИП-ШИМ, находящийся в состоянии 2, скважность следования выходных импульсов отрицательной полярности на выходе ОУ DA4 и длительности второго такта к периоду :

. (21)

Если требуется выходное импульсное напряжение положительной полярности, то нагрузку схемы необходимо включить в коллекторную цепь транзистора VT1, присоединить эмиттер к общей шине электропитания. На фиг.6 представлена функция (21).

Формула (18) свидетельствует, что рассматриваемая схема УВИИП-ШИМ осуществляет преобразование отношения или напряжения при фиксированной величине напряжения в длительность выходных импульсов

. (22)

Сравнивая формулы (5) и (22) видим, что они функционально идентичны, различие заключается лишь в том, что в третьем состоянии схемы коэффициент преобразования в два раза меньше при той же постоянной времени интегратора , и одинаковых напряжениях и .

Итак, заявленный универсальный время-импульсный интегрирующий преобразователь напряжения в зависимости от порядка использования входных клемм Вх.1, Вх.2, Вх.3 и клемм 1, 2, 3, 4, предназначенных для подключения электрических перемычке Z1, Z2, осуществляет преобразование частного от деления входных напряжений в частоту , длительность импульсов и период выходного импульсного напряжения, в скважность следования импульсов четырех видов функций преобразования (как это обобщенно представлено в нижеследующей таблице) за счет включения во входную цепь интегратора инвертирующего повторителя первого входного напряжения со смещением на величину второго входного напряжения и использования трех входных клемм для входных напряжений и двух пар входных клемм для подключения двух электрических перемычек.

Таблица

Состояние схемы УВИИП-ШИМ Вид функции
преобразования Использование клемм
(внешних выводов) Вх.1 Вх.2 Вх.3 1, 2 3, 4 1 - - - - - - 2 - Z1 - - Z1 - 3 - Z1 Z2 - Z1 Z2 - Z1 Z2

Необходимо отметить, что функции преобразования частного от деления двух входных напряжений и в частоту и длительность импульсов, представленные в таблице, получены при равенстве сопротивлений резисторов . Если сопротивления и не равны, то в соответствующие функции преобразования необходимо ввести масштабные коэффициенты:

(23)

Наконец, из формулы (17) видно, что заявленная схема может работать в качестве неуправляемого генератора импульсов с неизменной частотой при заданных значениях входных напряжений и и постоянной времени генератора .

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности время-импульсного интегрирующего преобразователя напряжения в области широтно-импульсной модуляции.

Изобретение относится к прецизионной импульсной электронике и может использоваться в автоматических системах управления. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей время-импульсного интегрирующего преобразователя напряжения в области широтно-импульсной модуляции напряжения. Такой результат обеспечивается за счет подключения двух инвертирующих повторителей напряжения, аналогового четырехканального коммутатора, интегратора, компаратора, выпрямительного диода и инвертирующего повторителя первого входного напряжения со смещением на величину второго входного напряжения к трем входным клеммам для включения входных напряжений и к двум парам клемм для подключения двух электрических перемычек. 6 ил., 1 табл.

Универсальный время-импульсный интегрирующий преобразователь напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции, состоящий из трех входных клемм для включения входных напряжений, двух пар клемм для подключения двух электрических перемычек, двух инвертирующих повторителей напряжения, аналогового четырехканального коммутатора, интегратора, компаратора, выпрямительного диода и инвертирующего повторителя первого входного напряжения со смещением на величину второго входного напряжения, включенного во входную цепь интегратора, при этом первая клемма входного напряжения подключена к первому инвертирующему повторителю напряжения, к первой клемме первой пары клемм для подключения электрической перемычки и к аналоговому четырехканальному коммутатору, вторая клемма входного напряжения подключена ко второму инвертирующему повторителю напряжения и к аналоговому четырехканальному коммутатору, а третья клемма входного напряжения подключена к инвертирующем повторителю первого входного напряжения со смещением на величину второго входного напряжения, при этом вторая клемма первой пары клемм для подключения электрической перемычки подключена к интегратору, первая клемма второй пары клемм для подключения электрической перемычки подключена ко второму инвертирующему повторителю напряжения и к аналоговому четырехканальному коммутатору, а вторая клемма второй пары клемм для подключения электрической перемычки подключена к инвертирующему повторителю первого входного напряжения со смещением на величину второго входного напряжения, при этом первый и второй инвертирующие повторители напряжения подключены к аналоговому четырехканальному коммутатору, который подключен к интегратору и к компаратору, выходы компаратора являются выходами интегрирующего преобразователя напряжения, причем один из выходов соединен с выпрямительным диодом, подключенным к аналоговому четырехканальному коммутатору.