Широтно-импульсный модулятор Советский патент 1986 года по МПК H03K7/08 

« Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в телеметрических информационноизмерительных системах и системах автоматического регулирования. Целью изобретения является повышение точности. На чертеже представлена функциональная схема устройства. Устройство содержит интегрирующий сумматор 1, выполненный на операционном усилителе 2, конденсаторе 3 и ключе 4, компаратор 5, первый ключ 6, конденсатор 7, резисторы с первого по пятый соответственно 8-12,второй 13 и третий 14 ключи, входные шины устройства с первого по пятый соответственно 15-18 и шина 19 пилообразного напряжения и выходная шина 20. Интегрирующий сумматор 1 выполнен в виде операционного усилителя 2 с конденсатором 3 в цепи отрицательной обратной связи. Вход операционного усилителя соединен с выходом ключа 4,а также через первый 8 и третий 10 резисторы соответственно с первой 15 и третьей 17 шинами устройства. Выход операционного усилителя 2 подключен к первому входу компаратора 5,второй вход которого соединен с шиной 19 пилообразного напряжения. Выход компаратора 5 соединен с входа ми управления ключей 4 и 6, с инверсными входами управления второго 13 и третьего 14 ключей, а также с выходной В1ИНОЙ 20 устройства. Входная шина 16 соединена через резистор 9 с входом ключа 4, выходом ключа 14 и выводом резистора 12, другой вывод которого подключен к первому выводу конденсатора 7 и через резистор 11 соединен с выхрдом ключей 6 и 13. Второй вывод конденсатора 7, а также входы ключей US и 14 соединены с общей шиной устройства, а входная шина 18 соединена с входом ключа 6. Устройство работает следующим об разом. Входной сигнал 11, пропорциональный текущему значению аргумента,поступает на шины 15, 16 и 18 устройства, опорный сигнал соответствующе полярности подается на шины 17, а н шину 19 поступает пилообразное напряжение с периодом Т. Допустим, что входное напряжение отрицательно, а опорные напряжения 411 Uo на шинах 16-18 положительной полярности. Пусть в исходном состоянии ключи 4 и 6 разомкнуты, а ключи 13 и 14 замкнуты. Входной ток усилителя 2 определяется разностью постоянных токов, протекакщих в неуправляемых цепях по шинам 15 и 17, причем из условия динамического равновесия схемы ток по шине 17 опорного напряжения превосходит ток в шине 15 модулирующего напряжения. При этом выходное напряжение усилителя 2 уменьшится, В начале периода Т пилообразного напряжения компаратор 5 срабатывает и состояние ключей 4, 6, 13 и 14 изменяется на противоположное. В результате входной ток усилителя 2, определенный токами по неуправляемым цепям резисторов 8 и 10 и по управляемым цепям ключ 6, резисторы 11 и 12, ключ 4 и резистор 9, ключ 14, изменит свое направление на противоположное, что приводит к увеличению выходного напряжения усилителя 2 до тех пор, пока оно не станет ргшным текущему значению пилообразного напряжения. Срабатывает компаратор 5, и ключи 4, 6, 13 и 14 возвраш,аются в исходное состояние, формирование импульса на выходной шине 20 устройства заканчивается. Ток на входе усилителя 2 изменяет свое направле-. ние на противоположное до начала следукщего периода и вновь задается неуправляемыми цепями через резисторы 8 и 10. Далее процесс повторяется. В установившемся режиме при достаточно больших емкостях конденсаторов 3 и 7 средн-ее за период Т значение напряжения на выходе усилителя 2 определяется функциональной характеристикой устройства. При этом выполняется равенство I ifVAi 1 -1о , где I - постоянный ток, пропорциональный текущему значению аргумента; G, - проводимость первого резистора 8; - среднее значение тока, поступающего по шине 16 через резистор 9 с проводимостью G и ключ 4; в- относительная длительность выходного сигнала модулятора; , - постоянный ток, поступающий на вход сумматора 2 по 1Шне 17 через резистор 10 с проводимостью IQ- среднее за период Т значение тока, поступающего на вход усилителя 1 по цепи: шина 8, ключ 6, резисторы П и 12, ключ 4. Зна1(3 J U д найдем из условия динамического равновесия процесса разряда и заряда второго конденсатора 7: разр 3йр VJP приращение уровня электрического заряда конден сатора 7 в процессе его разряда (ключи 13 и 14 замкнуты, ключ 6 разомкнут); AU-jap- приращение уровня злектрического заряда конденсатора 7 в процессе заряда (ключи 13 и 14 разомкнуты,ключ 6 замкнут). Токи зар .да и разряда равны: Ijap(U -U )G (, где U - среднее значение напряжения на конденса торе 7; G, G - проводимости резис торов II и 12. При условии динамиче кого равенства заряда о (, +Gg ) в и, ( G H-Gj ) (1 - 0),

G.G.

г)

отсюда О

4 5

Из равенства токов на входе усилителя после преобразований получаем окончательно

TI -TI ( 1 + С, + 4Cs д Г г W (.1, (j, О, Я

ЧТО соответствует полиному второго порядка (в общем случае со знакопеременными коэффициентами) вида

Р, (Г,0),0+а,0.

В качестве примера нелинейного шротно-импульсного модулятора в таблице коэффициентов аппроксимации для функций, реализованных данным модулятором, приведены значения.коэффициентов полинома второго порядк для некоторых элементарных функций и их суперпозиций, полученные авторами с помощью алгоритма чебьгшевско го приближения непрерывных функций рациональными. Приведенная погрешность аппроксимации в диапазоне 0,1 определяется

§ MaKcl i§l PliilQlL ,

макс

где f(6) - функция преобразования; Y - максимальное значение функции f(0). В случае, когда коэффициенты аппроксимации одного знака, можно изменить порядок подключения входного и опорного напряжений и получить функтшональную характеристиПовышение точности нелинейной широтно-импульсной модуляции достигается путем снижения методической погрешности (погрешности аппроксимации нелинейного закона преобразования) при воспроизведении комплексно-, сопряженных полюсов функциональной характеристики, а также за счет снижения инструментальной погрешности, связанной с меньшим разбросом номиналов проводимостей резисторов и снижением чувствительности цепей к отклонениям параметров отдельных элементов, а также а счет реализации управления коммутирующими элементами.

Формула изобретения

Широтно-импульсный модулятор,содержащий интегрирующий сумматор,вы,полненный в виде операционного усилителя с конденсатором в цепи обратной связи и ключа, соединенного выходом с входом операционного усилителя, выход которого является выходом интегрирующего сумматора и соединен с первым входом компаратора,

управляющий вход ключа является управляющим входом интегрирующего сумматора и соединен с выходом компаратора, информационный вход ключа является вторьм входом интегрирующего

сумматора, первый и третий входы которого соединены с входом операционного усилителя, первый, второй и третий входы интегрирук)цего суммато41„ 4 ку в виде дробнорационалъной функции второго порядка с комплексно-сопряженными полюсами. Например, если Ugj (отрицательной полярности) подается на шины 17-18, а опорное напряжение (положительное) поступает на шину. 15 устройства, то после преобразований аналогичных приведенным получаем , и и ( } at о п. Р - Т i e-fi-. j-2i.0 G, .с; П П П С7 В соответствии с таблицей данное включение U и Ц, реализует аппрок-е 1 симацию функций е и --т-т -т . Функch(70T циональная характеристика устройства определяется как обратная функдня по отнощению найденным, т.е. f(aJ. - 5I pa соответственно через первый, второй и третий резисторы соединены с первой, второй и третьей входными шинами, второй вход компаратора подсоединен к шине пилообразного напря жения, а выход - к управляющему вхо ду первого ключа, информационный вход которого подключен к четвертой входной шине, а выход - к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первым вы водом пятого резистора непосредст16венно, а с общей пиной через конденсатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены второй и третий ключи, информационные входы которых соединены с общей шиной, а выходы подключены соответственно к выходу первого ключа ик объединенным второму вьшоду пятого резистора и второму входу интегрирующего сумматора,при этом инверсные управляющие входы второго и третьего ключей соединены с выходом компаратора.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в телеметрических информационноизмерительных системах и системах автоматического регулирования. Целью изобретения является повышение точности. Указанная цель достигается введением ключей 13 и 14. Широтноимпульсный модулятор содержит также интегрир тощий сумматор 1 , компаратор 5, ключ 6, резисторы 8, 9, 10, 11, 12, конденсатор 7. Интегрир тощий сумматор 1 содержит операционный усилитель 2, ключ 4, конденсатор 3. Входной сигнал, пропорциональный текущему значению аргумента, поступает на шины 15, 16, 18, опорньй сигнал на шину 17, на шину 19 поступает пилообразное напряжение. Данный пгиротноимпульсный модулятор позволяет повысить скорость работы к,лючевых элементов и обеспечить реализацию нелинейр ного закона преобразования полиномом второй степени, позволяющей со(Л кратить диапазон номиналов проводимостей резисторов и уменьшить зависимость точности аппроксимации от точности задания номиналов резисторов. 1 ил. ьо