Модуляционное устройство Советский патент 1987 года по МПК H03K7/08 

Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в устройствах с кодово-импульсной модуляцией (КИМ) при временном уплотнении телефонных каналов в качестве промежуточного преобразователя низкочастотного сигнала, а также в устройствах управления автоматики для обработки дискретной информации и предназначено для преобразования медлен- но изменяющихся сигналов и широтно модулированный,

Цель изобретения - расширение диапазона изменения длительности выходных импульсов и повышение надежности

На фиг. I представлена принципиальная схема модуляционного устройства; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит входную шину , которая соединена с первым входом первого операционного усилителя 2, второй вход которого соединен с первой обкладкой конденсатора 3, через генератор 4 тока - с шиной источника питания, а через ключ 5 - с общей тиной, генератор 6 тактовых импульсов, выход которого через первый резистор 7 соединен с управляющим входом ключа 5, второй операционный усили- тель 8 и транзисторный усилитель 9, вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого операционного усилителя 2 и его вторым входом, вход второго операцион- ного усилителя 8 соединен с второй обкладкой конденсатора 3 и выходом генератора 6 тактовых импульсов, его выход - с управляющим входом ключа 5, а выход первого операционного усили- теля 2-е выходной шиной 50.

Генератор 4 тока выполнен на транзисторе 1i, коллектор которого соединен с вторым входом первого операционного усилителя 2, а эмиттер и база соединены соответственно через второй и третий резисторы 12 и 13 с шиной источника 14 питания и общей шиной, при этом база транзистора II подключена к входной шине 1 устрой- ства.

Устройство работает следуюшзнм образом,

При величине напряжения U менее величины и„ на инвертирующем вхо- де операционного усилителя 8 сигнал равен нулю, в связи с чем и, на его выходе напряжение равно нулю и ключ 5 разомкнут, а на инвертирующем входе операциониого усилителя 2 имеется

напряжение J., положительной поляр хности, которое по своей величине

несколько меньше напряжения положительной полярности, поступающего на неинвертируюп1ий вход операционного усилителя 2 с левой обкладки конденсатора 3, в связи с этим на выходе операционного усилителя 2 имеется напряжение положительной полярности, которое подается на усилитель 9 и держит его в приоткрытом состоянии ровно настолько, чтобы через него протекал ток генератора 4, что делает невозможным заряд конденсатора 3 до уровня, большего, чем указанный.

Этот уровень устанавливается автоматически, так как при снижении напряжения на конденсаторе 3 изменяется уровень напряжения с операционного усилителя 2, степень приоткры- тия усилителя 9 и величина тока, протекающего через усилитель 9, Так как величина тока через училитель 9 становится меньше тока от генератора 4, то раз.ностью указанных токов происходит подзаряд конденсатора 3 до уровня, при котором ток через усилитель 9 становится равным току, вытекающему с генератора 4.

Превышение напряжения на конденсаторе 3 напряжения на шине 1 IL составляет всего несколько милливольт и равно разрешающей способности используемого операционного усилителя, Т.е. практически заряд конденсатора 3 равен напряжению IT .

D3f

Таким образом, величина напряжения, до которого заряжается конденсатор 3, определяется напряжением U и не зависит от параметров элементов входящих в модуляционное устройство, в том числе от параметров операционного усилителя 2, усилителя 9 и генератора 4.

Это свойство обеспечивает повышение точности преобразования модуляционного устройства.

Рассмотренное состояние модуляционного устройства устойчиво и может сохраняться как угодно долго.

В момент времени t поступает импульс отрицательной полярности U с генератора 6 тактовых импульсов на инвертирующий вход операционного усилителя 8 и на его выходе формируется напряжение положительной полярности, под воздействием которого замыкается ключ 5, т.е. хсевая обкладка конденса31

тора 3 оказывается скачком подсоединенной к шине нулевого потенциала через ключ 5, а так как на конденсаторе 3 напряжение скачком измениться не может, то на правой его обкладке формируется потенциал отрицательной полярности, который поступает на ин- версньй вход операционного усилителя 8 и удерживает его в состоянии, при котором на его выходе положительное напряжение и ключ 5 удерживается в замкнутом состоянии.

Ключ 5 будет удерживаться в замкнутом состоянии и после прекращения формирования импульса U с генера- тора 6.

Таким образом, в данном модуляционном устройстве ключ 5 замыкается на переднем фронте импульса с генератора 6 и далее удерживается во включенном состоянии до тех пор, пока происходит заряд конденсатора 3.

Это свойство модуляционного устройства обеспечивает независимость параметров преобразуемого выходного импульса от длительности и амплитуды импульса с генератора 6.

В момент уменьшения напряжения на левой обкладке конденсатора 3 напряжение на выходе операционного усили- теля 2 становится отрицательным и формируется передний фронт выходного импульса. Напряжением отрицательной полярности запирается усилитель 9, т.е. транзистор 15 закроется и ток от источника 4 начнет протекать,на шину нулевого потенциала через замкнутый ключ 5.

Начиная с момента времени t (фиг. 2) конденсатор 3 начнет разря- жаться по цепи шина нулевого потенциала - замкнутый ключ 5 - левая обкладка конденсатора 3 - правая обкладка конденсатора 3 - резистор 7 выход операционного усилителя 8 - шина нулевого потенциала. Так как на правой обкладке конденсатора 3 напряжение имеет знак минус, а на выходе операционного усилителя 8 напряжение имеет знак плюс, то конден- .сатор 3 стремится перезарядиться до величины напряжения на выходе операционного усилителя 8, т.е. до напряжения положительной полярности, в связи с чем его разряд происходит на линейном участке экспоненты, что обеспечивает линейность преобразова ния (линейность проходной характеристики).

724

В момент времени t напряжение н конденсаторе 3 оказывается, близким к нулю, вследствие чего становится близким к нулю напряжение на инверсном входе операционного усилителя 8 на выходе которого напряжение становится близким к нулю, и ключ 5 размыкается. При этом на инверсный вход операционного усилителя 8 поступает напряжение положительной полярности от генератора 4 и на выходе операционного усилителя 8 формируется напряжение отрицательной полярности, при которрм ключ 5 удерживается в разомкнутом состоянии (транзистор 16 запирается) .

Начиная с момента времени tj конденсатор 3 начнет заряжаться по цепи генератор 4 - конденсатор 3 - резистор 7 - выход операционного усилителя 8 - общая шина.

При постоянной величине тока от генератора 4 будет постоянный во времени прирост напряжения на конденсаторе 3. Это обеспечивает строгую зависимость длительности выходных импульсов от величины тока с генератора 4.

Обеспечив скорость разряда конденсатора значительно большую, чем скорость заряда конденсатора 3, получим длительность выходных импульсов прямо пропорциональнук величине тока генератора 4.

Обеспечив управление величиной тока с выхода генератора 4 величиной напряжения U, , по заданному закону получаем изменение длительности импульсов с выхода модуляционного устройства по этому же закону.

Отрицательное напряжение на выходе операционного усилителя 2 является выходным напряжением. Время присутствия отрицательного напряжения с выхода операционного усилителя 2 определяет длительность выходного импульса.

Задний фронт выходного импульса с выхода операционного усилителя 2 формируется в момент t времени, когда напряжение на левой обкладке конденсатора 3 несколько превысит напряжение Ujxc. Ри этом на инверсном входе операционного усилителя 2 напряжение U положительной полярности становится несколько меньше напряжения положительной полярности, поступающего на неинверсный вход операционного усилителя 2

с левой обкладки конденсатора 3, и поэтому напряжение на выходе операционного усилителя 2 стремится уста новиться положительным. Как только напряжение с выхода операционного усилителя 2 станет положительным, то открывается усилитель 9 и через его выход начинает протекать ток, вследствие чего прирост напряжения на левой обкладке конденсатора 3 прекращается и остается неизменным до момента времени t , когда на вход модуляционного устройства придет следующий по порядку импульс с генератора 6. После этого все процессы повторяются.

При величине входного сигнала, равной величине U, , соответствующей времени нарастания напряжения на левой обкладке конденсатора 3 до такой величины, которая совпадает во времени со временем прихода следующего импульса с генератора 6, длительность выходного импульса будет равна времени периода между импульса ми с генератора 6 и выходное напряжение с выхода операционного усилителя 2 становится постоянной отрицательной величиной, что соответствует скважности импульсов, равной 1,

При увеличении напряжения Uj более напряжения U скважность импульсов всегда будет оставаться равной 1, т.е. никаких провалов в выходном напряжении не будет.

Минимальное напряжение на левой обкладке конденсатора 3 при U равном нулю равно величине тока с генератора 4, деленному на произведение коэффициентов усиления операционного усилителя 2 и усилителя 9. Так как эти коэффициенты усиления практически могут быть сделаны как угодно большими, то минимальное напряжение

Таким образом, модуляционное устройство может быть использовано в качестве генератора прямоугольных импульсов постоянной частоты с регули- руемой длительностью и скважностью.

Поскольку формирование интенвалов времени осуществляется в результате разряда конденсатора 3 от начального напряжения, равного напряжению U , 10 до нуля, а затем заряда его до напряжения Ujx , то очевидно, что нестабильность в уровне срабатывания операционного усилителя меньше сказывается на стабильность формируемых вре- 15 менньгх интервалов. Кроме этого, возникает время, необходимое для перезаряда конденсатора 3, что ведет к рос- ту длительности выходного импульса

при заданном номинале конденсатора 3. 20 Схема некритична к изменению длительности опорных импульсов, поскольку она всегда меньше длительности генерируемого импульса, что обеспечивает повышенную надежность работы, - 25 так как исключена возможность влияния длительности опорного импульса на длительность выходногр импульса.

Предлагаемое модуляционное устройство может быть использовано в каче- 30 стве уп |авляе.мого одновибратора с нулевым времен ем восстановления, формирующего зад;анную выходную длительность при длительности входного сигнала произвольной.

Время разряда конденсатора 3 не зависит от величины генератора 4 поскольку этот ток, минуя конденсатор 3, протекает через ключ 5 на шину нулевого потенциала и не зависит 40 от коэффициентов усиления активных элементов и поэтому зто время является очень стабильным. Это позволяет использовать .модуляционное устройство в измерительных схемах, где изме35

на левой обкладке конденсатора 3 мо- 45 Ряемым параметром может быть емкость

конденсатора. При этом длительность выходного импульса прямо пропорциональна емкости измеряемого конденсатора при Ugji постоянной величине.

жет быть сделано как угодно малой величиной, весьма близкой к нулю, а зто приводит к тому, что минимальная длительность выходного сигнала может быть весьма близкой к нулю,- а пос-. кольку она не зависит от периода работы генератора 6, то отношение минимальной длительности импульсов к периоду частоты работы генератора 6 в данной схеме может теоретически приближаться к бесконечности.

Практически получено изменение скважности на пять порядков.

Таким образом, модуляционное устройство может быть использовано в качестве генератора прямоугольных импульсов постоянной частоты с регули- руемой длительностью и скважностью.

Поскольку формирование интенвалов времени осуществляется в результате разряда конденсатора 3 от начального напряжения, равного напряжению U , 10 до нуля, а затем заряда его до напряжения Ujx , то очевидно, что нестабильность в уровне срабатывания операционного усилителя меньше сказывается на стабильность формируемых вре- 15 менньгх интервалов. Кроме этого, возникает время, необходимое для перезаряда конденсатора 3, что ведет к рос- ту длительности выходного импульса

при заданном номинале конденсатора 3. 20 Схема некритична к изменению длительности опорных импульсов, поскольку она всегда меньше длительности генерируемого импульса, что обеспечивает повышенную надежность работы, 25 так как исключена возможность влияния длительности опорного импульса на длительность выходногр импульса.

Предлагаемое модуляционное устройство может быть использовано в каче- 30 стве уп |авляе.мого одновибратора с нулевым времен ем восстановления, формирующего зад;анную выходную длительность при длительности входного сигнала произвольной.

Время разряда конденсатора 3 не зависит от величины генератора 4 поскольку этот ток, минуя конденсатор 3, протекает через ключ 5 на шину нулевого потенциала и не зависит 40 от коэффициентов усиления активных элементов и поэтому зто время является очень стабильным. Это позволяет использовать .модуляционное устройство в измерительных схемах, где изме35

яемым параметром может быть емкость

онденсатора. При этом длительность выходного импульса прямо пропорциональна емкости измеряемого конденсатора при Ugji постоянной величине.

В связи с тем, что в предлагаемой схеме практически отсутствуют огра ничения на величину емкости конденсатора 3, то практически отсутствует ограничение максимальной величины длительности выходного импульса,

Если в качестве генератора 4 использовать транзистор II с резистором 13 в цепи эмиттера, база которого соединена с шиной 1 источника

входного напряжения, то с изменением величины входного напряжения будет в обратной зависимости изменяться ток генератора 4, а это приводит (фиг. З) к более резкому возрастанию длительности выходного импульса при возрастании входного напряжения (примерно по параболическому закону), что крайне необходимо в тех системах автоматики, где требуется постоянство статической ошибки. Это достигается за счет того, что с возрастанием напряжения уменьшается разность напряжения на резисторе 13, уменьшается ток эмиттера и коллектора транзистора 11. Уменьшение тока с генератора 4 приводит к увеличению времени заряда конденсатора 3 до напряжения UPX , причем крутизна нарастания длительности импульсов может быть за счет подбора режима работы транзистора I1 установлена практически любая.

Формула изобретения

1, Модуляционное устройство, содержащее первый операционный усилитель, первый вход которого соединен с входной шиной, а второй вход соединен с первой обкладкой конденсатора, через генератор тока - с шиной

t,

г

источника питания, а через ключ - с общей шиной, и генератор тактовых импульсов, выход которого через первый резистор соединен с управляющим входом ключа, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона изменения длительности выходных импульсов и повьш1ения надежности, в него дополнительно введены второй операционный усилитель и транзисторный усилитель, причем вход и выход транзисторного усилителя соединены соответственно с выходом первого операционного усилителя и его вторь входом, вход второго операционного усилителя соединен с второй обкладкой конденсатора и выходом генератора тактовых импульсов, его выход - с управляющим входом ключа, а выход первого операционного усилителя - с выходной шиной,

2, Устройство по п. 1, отличающееся тем, что Б нём генератор тока выполнен на транзисторе, коллектор которого соединен с вторым входом первого операционного усилителя, а эмиттер и база соединены соответственно через второй и третий резисторы с шиной источника питания и общей шиной, при этом база транзистора подключена к входной шине устройства.

t,

и

«

и.

макс

шх

Фмг.2

Wwx

Редактор С. Пекарь

Составитель Е. Борзов Техред В.Кадар

Заказ 285/57 Тираж 902 .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, А

Фиг,д

Корректор Н. Король

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах с импульсно-кодовой модуляцией при временном уплотнении телефонных каналов, в качестве промежуточного преобразователя низкочастотного сигнала, а также в устройствах управления для обработки дкскретной информации. Цель изобретения - расширение диапазона изменения длительности выходных импульсов и повышение надежности - достигается введением в устройство второго операционного усилителя 8 и транзисторного усилителя 9. Устройство содержит также входную 1 и выходную 10 шины, операционный усилитель 2, конденсатор 3, генератор 4 тока, ключ 5, генератор 6 тактовых импульсов, резисторы 7, 12, 13, транзистор II, источник питания 14. Устройство может быть использовано в качестве управляемого мультивибратора с нулевым временем восстановления, формирующего.выходные импульсы заданной длительности при произвольной длительности входного сигнала. 1 з.п. ф-лы 3 ил. (О (Л ГС со ю 1C Фиг.1