Широтно-импульсный модулятор Советский патент 1983 года по МПК H03K7/08 

(54) ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различных измерительных и управляющих устройствах для преобразования разности двух аналоговых напряжений в несколько гальванически изолированных разнополярных широтно-модулированных сигналов, среднее значение которых пропорционально этой разности.

Известен широтно-импульсный -модулятор, содержащий операционный усилитель, трансформатор и резисторы 11

Недостатком этого модулятора является невозможность преобразования разности двух входных напряжений в широтномодулированный сигнал, а также низкая помехоустойчивость и большая потребляемая мощность от источника питания при снижении величины сопротивления резисторов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является широтно-иМпульсный модулятор, содержащий два операционных усилителя, трансформатор и резисторы, причем источник первого входного сигнала включен между общей шиной и одним из выводов первой обмотки трансформатора, а источник второго входного

сигнала включен параллельно второй обмотке трансформатора 2.

Недостатком известного модулятора является его сложность из-за наличия двух операционных усилителей и низкая помехоустойчивость из-за высокоомных делителей в цепях обратной связи усилителей. Снижение сопротивлений в делителях увеличивает

10 потребляемую мощность, а помехоустойчивость почти не увеличивается.

Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение помехоустойчивости устройства.

15

Поставленная цель достигается тем, что в широтно-импульсный модулятор, содержащий трансформатор, первая обмотка которого соединена с первым источником входного сигнала,

20 а первый вывод второй обмотки соединен через второй источник входного сигнала с общей шиной, и операционный усилитель, выход которого соединен через первый резистор с неинвер25 тирующим входом и первым выводом второго резистора, введен конденсатор, причем второй вывод второго . резистора lC9eдиj eн с инвертирующим входом операционного усилителя и

30 через конденсатор с первым выводом второй обмотки трансформатора, вто рой вывод которой соединен с неинвертирующйм входом операционного у лителя . На чертеже представлена принципиальная схема широтно-импульсного модулятора. Устройство содержит операционны усилитель 1, трансформатор 2, с об мотками 3-5, конденсатор 6, исто ник 7 первого входного сигнала, ре зисторы 8-11, источник 12 второ входного сигнала. Источник 7пер:во входного сигнала через резистор 11 соединен с обмоткой 3 трансформатора 2, источник 12 второго входного сигнала включен между общей шиной и объединенными выводами конденсатора б и обмотки 4 трансформатора 2, другой вывод которой соединен с неиниертирующим входом операционног усилителя 1 и объединенными выводами резисторов 8 и 9, причем второй бывод резистора 8 соединен с выходо операционного усилителя 1, второй вывод резистора 9 соединен с инвертирующим входом операционного усили теля 1 и вторым выводом конденсатора 6, а обмотка 5 соединена с сопротивлением нагрузки - р1езистором О иротно-импульсный модулятор работает следующим образом. Пусть вначале напряжение источника 12 входного сигнала равно нулю а вывод вторичной обмотки 4 подсоединен непосредственно к общей шине При подключении напряжения питания к операционному усилителю 1 он переходит в .состояние насыщения, поскольку конденсатор б разряжен и ..инвертирующий вход усилителя подключен к общей шине, а резистор 8, .подключенный между неинвертирующим входом усилителя 1 и его выходом, о разует цепь положительной обратной связи, которая и переводит усилитель в насЕлщение. К обмотке 4 трансформатора 2 при кладывается напряжение U, полярность которого определяется полярностью напряжения U., насыщения на выходе усилителя 1, а величина зависит от величин напряжения насыщения ., и напряжения на резисторе 8, которое определяется током, создаваемым источником 7 входного сиг нала, током намагничива ния i,, и током ir перезаряда конденсатора 6. Под действием напряжения U сердечник трансформатора 2 перемагничивается и, когда он достигает насыщения, напряжение UH резко падает и становится.близким к нулю. Конденсатор б к этому моменту успевает зарядиться до некоторого напряжения и, полярность которого совпадает с полярностью напряжения и„ на обмотке 4. При насыщении сердечника трансформатора 2 это напряжение прикладывается между инвертирующим и неинвертирующим входами усилителя 1, что приводит к переходу усилителя в противоположное состояние насыщения и к перемагничиванию сердечника в противоположном направлении. Необходимо отметить, что при изменении полярности напряжения насыщения U усилителя 1 полярность падения напряжения на резисторе 8, определяемая напряжением U-| источника 7 входного сигнала, не изменяется. Поэтому при одной полярности напряжения насыщения сердечник перемагничивания суммарным напряжением насыщения операционного усилителя и падением напряжения на резисторе 8 от тока, создаваемого источником 7, а при другой полярности напряжения насыщения перемагничивание сердечника происходит под действием разности этих напряжений. Падения напряжения на резисторе 8 от тока намагничивания 1д, и тока i перезаряда конденсатора б при перемагничивании в обоих напрявлениях вычитаются из напряжения насыщения. Вследствие этого длительности Ц и t2 перемагничивания сердечника в двух противоположных напрявлениях будут различными и определяются следующими соотношениями: I 3 iH-Vy R; - г и -и . 1 Л W где и - напряжение насыщения усилителя 1, Фз - поток насыщения сердечника, i/X. - ток намагничивания сердечника; W j - число витков обмотки 3; W - число витков обмотки 4; if, - ток заряда конденсатора 6f U-, - величина напряжения источника 7 входного сигнала; Rg - величина сопротивления резистора 8; величина сопротивления резистора 11. Поскольку срег.нее значение тока i через конденсатор,6 за полный цикл работы широтно-импульсного моулятора должно быть равно нулю, то d-t должен быть равен Из (1) определим относительную разность длительностей положительно го tjj и отрицательного tj импульсо напряжения на выходе усилителя 1 и на обмотках сердечника трансформат ра 2 При управлении от токового источника 7 с выражается следующим о разом: 4-S ArV где 1- - величина тока источника 7 входного сигнала. Как следует из (2) и (3). относи тельная разность длительностей импульсов пропорциональна величине напряжения U-, или тока i источника 7 входного сигнала. При напряжениях источников 7 и 12 входных сигналов, отличных от нуля, перемагничивание сердечника трансформатора 2 определяется напряжением и на обмотке 4, которое равняется алгебраической сумме напряжений насыщения усилителя 1, вт рого источника 12 входного сигнала падения напряжения на резисторе 8, зависящего от величины напряжения первого источника 7 входного сигна Относительная разность длительностей импульсов напряжения на вых де модулятора определяется в этом случае следующей зависимостью: W, Rg 2-U +U % «t1 где величина напряжения второго источника 12 входного сигнала Знак + в (4) определяется согласным или встречным включением источ ников 7 и 12. Как видно из (4), предлагаемое устройство может быть использовано как схема сравнения аналоговых сиг налов с широтно-модулированным выхо дом, имеющим высокую.помехоустойчи вость, в измерительных органах си.стем автоматики и релейной защиты в энергетике и других областях. Если не требуется, гальваническо изоляции источника входного сигнгш от цепей схемы, более целесообразным является использование для управления широтно-импульсным модуля тором второго источника 12 входног сигнала. Нз (4), положив и равным нулю, олучим 1н %vi Как следует из сравнения (2),(3) (5), точность преобразования входного сигнала при использовании источника 12 выше, поскольку исключается влияние временной и температурной нестабильности резисторов 8 и 11, а также, что не отражено в (2) и (3), выходного сопротивления усилителя 1 и сопротивления меди вторичной обмотки 4, а также значительно уменьшается влияние нелинейного характера изменения и нестабильности тока намагничивания i , поскольку влияние io в (5) можно значительно уменьшить, выбравRg достаточно малым, что нельзя сделать в (2), (3), где величина Rg определяет требуемый уровень выходной величины модулятора t . Таким образом,. предлагаемое устройство, как следует из приведенных соотношений, позволяет преобразовать аналоговые входные сигналы в относительную разность длительностей положительного и отрицательного импульсов напряжения, снимаемых с выхода операционного усилителя или с обмоток магнитного сердечника, и обеспечивает при этом увеличение точности за счет уменьшения влияния нестабильности сопротивлений элементов схемы и тока намагничивания, увеличения помехоустойчивости за счет подключения инвертирующего входа операционного усилителя к конденсатору, опорное напряжение на котором при воздействии импульсных помех изменяется слабо, и упрощение конструкции устройства за счет исключения одного усилителя. Формула изобретения Широтно-импульсный модулятор, содержащий трансформатор, первая обмотка которого соединена с первым источником входного сигнала, а первый вывод второй обмотки соединен через второй источник входного сигнала с общей шиной, и операционный усилитель, выход которого соединен через первый резистор с неинвертирующим входом и nepBfciM выводом второго резистора, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения помехоустойчивости, в него введен конденсатор, причем второй вывод второго резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и через конденсатор с первым выводом второй обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя. Истонники информации. принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР -801240, кл. И 03 К 7/08, 05.04.79.1 2.Авторское свидетельство СССР 754665, кл. Н 03 К 7/08, 03.08.78 (прототип).