Способ широтно-импульсного преобразования напряжения и широтно-импульсный модулятор Советский патент 1987 года по МПК H03K7/08 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматического угг- равления, в стабилизаторах и преобразователях напряжения.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона преобразования за счет уменьшения минимальной длительности выходного импульса.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, иллюстрирующего способ широтно-импульсного преобразования; на фиг.2 - диаграмма, поясняющая принцип действия устройства, на фиг.. 3 - принципиальная схема ши- ротцо-импульсного модулятора,

Способ широтно-импульсного преобразования включает суммирование сигналов, пропорциональных входному и эт-алонному напряжениям, интегрирование суммарного сигнала, сравнение проинтегрированного напряжения с опорным, изменение полярности эталонного сигнала в моменты изменения зн ка результата сравнения, формирование в эти же моменты переднего или заднего фронта выходного импульса и

через двухпол ярный ограничитель 24 напряжения общая шина, а к выходу - выходная шина 23 и первый вывод резистора 19, второй вывод которого соединен с вторыми выводами резисторов 17 и 18 и через двухполярный ограничитель 20 напряжения с общей шиной, при этом входная шина 22 соединена с вторым выводом резистора 15

формирование опорного сигнала, для

чего- дополнительно суммируют сигналы, ЗО и входом инвертирующего усилителя

пропорциональные эталонному и проин- 5, выход которого соединен с вторым

вертированному входному напряжениям,

и ограничивают суммарный сигнал,привыводом резистора 16,

Устройство, иллюстрирующее способ широтно-импульсного преобразования 35 напряжения, работает следующим образом.

чем уровень ограничения выбирают между максимальным и минимальным результатами суммирования при однополяр- ном эталонном напряжении.

Устройство, иллюстрирующее способ широтно-импульсного преобразования напряжения, содержит задатчик 1 вход-

ного напряжения, делители (умножители) 2 и 3 напряжения, сумматор 4, интегратор 5, элемент 6 сравнения,релейный элемент 7, задатчик 8 эталонного напряжения, делитель (умножи- тель) 9, блок 10 изменения полярности сигнала, делитель (умножитель) 11, сумматор 12, блок 13 ограничения напряжения, при этом соединены последовательно задатчик 1 входного нап- ряжения, делитель (умножитель) 2 напряжения, сумматор 4, интегратор 5, элемент 6 сравнения и релейный элемент 7, второй вход которого соединен с выходом задатчика 8 эталонно го напряжения, а выход - с входами делителей (умножителей) 3 и 11, выходы которых соединены соответствен- .но с втррым входом сумматора 4 и пер

вым входом сумматора 12, выход которого через блок 13 ограничения напряжения соединен с вторым выходом бло- ка 10 изменения полярности, вход которого соединен через (делитель умножитель) 9 напряжения с выходом задатчика 1 входного напряжения,

Широтно-импульсный модулятор содержит операционный усилитель 14,резисторы 15 - 19, двухполярный ограничитель 20, конденсатор 21, входную 22 и выходную 23 шины, двухполярный ограничитель 24, инвертирующий уси- литель 25, причем к инвертирующему входу операционного усилителя 14 ключены первые выводы резисторов 15 и 17 и через конденсатор 21 общая шина, к неинвертирующему входу - первые вьюоды резисторов 16 и 18 и

через двухпол ярный ограничитель 24 напряжения общая шина, а к выходу - выходная шина 23 и первый вывод резистора 19, второй вывод которого соединен с вторыми выводами резисторов 17 и 18 и через двухполярный ограничитель 20 напряжения с общей шиной, при этом входная шина 22 соединена с вторым выводом резистора 15

выводом резистора 16,

Устройство, иллюстрирующее способ широтно-импульсного преобразования 35 напряжения, работает следующим образом.

Д

K ,Uj, (с делителя 2), пропорциональный входному сигналу,суммируется с сигналом KjE (с делителя З), пропорциональным по величине изменяющемуся по знаку эталонному сигналу,

и.

K,Ue,

±К.

Д

Суммарный сигнал интегрируется (в блоке 5) по времени, причем время интегрирования определяется моментом совпадения результата интегрирования с опорным сигналом t,

и и„пн

+ КЛ (K,Ue, + К E)dt,

t, UJtJ и„

I

ч - ; - one

сигнал с выхода блока 5 интегрирования;. соответственно нижний и верхний уровни опорного напряжения;

К - коэффициент передачи бло

ка 5 интегрирования; 11 - время прямого интегриро - вания от до UOPB или длительность выходно го импульса.

Для фиксации момента совпадения результата интегрирования с опорным сигналом два сигнала сравниваются в элементе 6 сравнения и при измене НИИ знака рассогласования между ними релейный элемент 7 изменяет полярность эталонного сигнала, задаваемого задатчиком 8.

После перемены знака одного из слагаемых, поступающих на входы сумматора 4, сигнал с выхода блока 5 интегрирования будет уменьшаться, так как в этом случае интегрированию будет подвергаться отрицательный сигнал ,

при где и

Us и„„д- кЛ ( - K,UeJdt,

4- 4- И ТТ

t t

Us - UOHH

- сигнал с выхода блока 5 интегрирования;

t- - время обратного интегрирования от и,„ц до UOHH

или

длительность паузы. Дня формирования опорного сигнала сигнал (с выхода делителя 9), пропорциональный выходному сигналу, инвертируют по знаку (в блоке 10 изменения полярности.сигнала) и суммируют его (в сумматоре 12) с сигналом (с выхода делителя П), пропорциональным эталонному сигналу.

и.

-К,и,,±К,Е.

Таким образом, без ограничения верхний и нижний уровни опорного нагг- ряжения (уровни переключения релейного элемента ) соответственно равны

к,и,, -K,Ue,

ь -К,Е.

Следовательно, при преобразовании входного сигнала осуществляется прямая отрицательная связь по входному сигналу, действие которой приводит к повороту вокруг центра осей координат на угол oi arctgK j уровней переключения (фиг,2).

Для обеспечения минимальной дли-. тельности импульса напряжения (при + иgx) результат второго суммирова5

0

ния (с выхода сумматора 12) ограничивают сверху н снизу по величине.Уровни (верхний и нижний) ограничения с принимаются в общем случае произвольно , но каждый из них должен находиться в диапазоне между максимальным и минимальным результатами суммирования указанных сигналов при однополярном 0 эталонном напряжении, т.е. между гра-, ничными значениями верхнего и соответственно нижнего уровней переключений. Для верхнего уровня ограничений

UorPB (к, + - (К, - К,)Е, а

для нижнего Uorp (,)Е(К +

+ К)Е.

Для исключения генерации на краях диапазона изменения входного напряжения (и с условием его полного использования) необходимо выполнить условие (К - К,)а (К - К, )Е, т.е. , выполнить условие совпадения результатов первого и второго суммирования 5 сигналов, при граничных значениях входного напряжения. Приведенное равенство может являться условием для выбора коэффициентов передачи К,, К, К4 делителей 2,3,У и 11 нагг- ряжения.

Таким образом, пределы изменения опорного напряжения определяются параллелограммом АВСДА (фиг.2), -причем на краях диапазона изменения входного Напряжения разность между верхним и нижним уровнями опорного напряже- . ния, определяющая минимальные длительности импульсов и паузы, уменьшается вплоть до нуля. Это обстоятельство и позволяет существенно расширить диапазон регулирования длительности импульса выходного напряжения за счет уменьшения его минимальной длительности.

Широтног-импульсный модулятор работает следующим образом.

Операционный усилитель 14 совместно с резисторами 17 и 18 образует двухуровневый компаратор, который

0 при совпадении величин напряжений, подаваемых на его инвертирующий и неинвертирующий входы, переключается из одного устойчивого состояния в другое.

0

5

0

55

Таким образом, компаратор на операционном усилителе 14 выполняет одновременно функции элемента сравнения двух напряжений и релейного эле-

мента, изменяющего полярность выход - ного напряжения, .

Первым напряжением, подаваемым на инвертирующий вход операционного усилителя, является изменяющееся во времени напряжение на инвертирующем конденсаторе 21, Оно определяется величинами и полярностью входного напряжения и эталонного напряжения и. полярностью с двухполярного огра ничителя 20 и равно

растает от напряжения

Ujt) аЕ -V

нижнего уровня опорного до верхнего уровня

+ Ьи„„ + и - аЕ -

bUsx +

- ъи.

Л

и

Mb

(4)

10

и, (t) iaE + cUg + u(o);: аЕ - --bfe

- сЦ

w

при достижении которого полярность эталонного напряжения изменяется на отрицательную. Это приводит к снижению уровня опорного напряжения (бу™ дет задаваться нижний уровень) и напряжение на конденсаторе 21 уменьшается от верхнего до нижнего уров- (l) 15 ня опорного напряжения

де -Е

и.величина эталонного напряжения с двухполярного ограничителя 20;

величина входного, напряжения модулятора;

и(о) - величина начального напряжения на конденсаторе 21 (величина нижнего или верхнего уровня опорного напряжения);

г

RI- R.

а vT

постоянная времени;

В

с

,

.

Rj+R

RZ -R;+R4

Другим напряжением, подаваемым на инвертируюпщй вход операционного усилителя 14, является опорное напряжение, которое также зависит от параметров входного и эталонного напряжения и равнори + и.

и... bE-kdU.., - верхний

(4-)роХ

уровень;

(2)

- нижний уровень;

U,

WH

-U

огр

ри -и

9х

и

(+1В

и

W4

. - верхний уровень;

(3)

-bE-kdUp - нижний уровень.

и

ОГр

k -

величина напряжения, задаваемая двухполярным ограничителем 24;; коэффициент передачи ин- вертирутощего усилителя 25;

b

RI

R:+R.

в соответствии с этим и величина напряжения на конденсаторе 21 при положительном эталонном сигнале воз-

растает от напряжения

Ujt) аЕ -V

нижнего уровня до верхнего уро

+ Ьи„„ + и -

bUsx +

- ъи.

Л

и

Mb

UC-H)

аЕ

+ ьи„

- г/ сГ

+ аЕ - Ъи. Л е

Циклы заряда - разряда конденса- тора 21 непрерывно повторяются, в результате чего происходит генерация знакочередующихся импульсов. Длительность импульсов и интервал между ними определяется временем заряда и разряда конденсатора 21, которое зависит от величины и знака входного напряжения, а также от уровней опорного напряжения, один из которых ограничен по величине,

Из выражений (4) и (З) с учетом (2) длительности импульса и паузы соответственно равны

t, irin

t, -D-ln

+ eUex , Ta-bl+Ic+kdluf

(a+b)-(c+kd)

a-u.,, cU

где и,

orp

и

2i

напря

Uorp -Ё вх - -fжение ограничения и входное напряже- ние в относительных единицах.

Для частного случая О когда ограничение не действует и уровни опорного напряжения равны Uj)b ЪЕ; -ЬЕ, длительности импульса и паузы равны (относительная продолжительность включения у 0,5) и средний период колебаний составляет

ср

2Т1п

а+Ь а-Ъ

55

Для конкретного частного случая, когда а 0,6, с 0,4, Ь 0,2,

kd 0,3, и

огр

0,2, отношение мальной длительности импульса к нему периоду составляет

0,063 0,25,

V а при (kd - bj U t , 0., т.е. начальная длительность импульса может задаваться с нуля.

Форму передаточной характеристики широтно-импульсного модулятора можно существенно изменять, если ввести не симметричные, а разные по величине уровни верхнего и нижнего ограничения и обеспечить тем самым оптимальную регулировочную характеристику широтно-импульсного модуля- тора для управления объектом.

Таким образом, использование в способе широтно- импульсного преобразования напряжения в качестве опорного сигнала ограниченной по величине суммы сигналов, пропорциональных инвертирующему входному и эталонному напряжениям,- а также дополнительное введение в широтно-импульсный модулятор двухполярного ограничителя нагг- ряжения, подключенного к инвертирующему входу операционного усилителя, и инвертирующего усилителя, включенного между входной шиной и неинвер- тирующим входом операционного усилителя, позволяют уменьшить минимальную длительность импульса выходного напряжения и тем самым обеспечивают расширение динамического диапазона преобразования входного напряжения.

Формула изобретения

1, Способ широтно-импульсного преобразования напряжения, включающий суммирование сигналов, пропорциональных входному и эталонному напряжени- ям, интегрирование суммарного сигнаг ла, сравнение проинтегрированного напряжения с опорным сигналом, изменение полярности эталонного сигнала

10

15

°40

13617098

в моменты изменения знака результата сравнения и формирование в эти же . моменты переднего или заднего фронта выходного импульса, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона за счет уменьшения минимальной длительности выходного импульса, опорный сигнал формируют путем суммирования сигналов, пропорциональных эталонному .л проинвертированному входному напряжениям, и ограничения суммарного сигнала, причем уровень ограничения выбирают ыежду максимальным и минимальным результатами суммирования при одна- полярном эталонном напряжении,

2, Широтно-импульсный модулятор, содержащий операционный усилитель, к инвертирующему входу которого подр- ключены первые выводы первого и второго резисторов и через конденсатор общая шина, к неинвертирующему входу - первые выводы третьего и четвертого резисторов, к выходу - выходная щина и первый вывод пятого резистора, второй вывод которого соединен с вторыми выводами второго, и четвертого резисторов и через двухполярный ограничитель напряжения с общей шиной, а второй вывод первого резистора соединен с входной шиной, о т л и ч а юг- щ и и с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона за счет уменьшения минимальной длительности выходного импульса, в него дополнительно введены второй двухполярный ограничитель напряжения и инвертирую щий усилитель, включенный между входной шиной и вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого через второй двухполярный ограничитель напряжения соединен с общей шиной.

20

25

30

35

Фиг.1

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматического управления, в стабилизаторах и преобразователях напряжения. Цель изобретения - расширение динамического диапазона преобразователя достигается путем уменьшения минимальной длительности выходного импульса. Способ предусматривает использование в качестве опорного сигнала ограниченной по величине суммы сигналов, пропорциональных инвертированному инвертирующему входному и эталонным напряжениям, и дополнительное введение в ши- ротно-импульсный модулятор двухполяр- ного ограничителя напряжения, подключенного к входу операционного усилителя, и инвертирующего усилителя,Это позволяет уменьшить минимальную длительность импульса выходного напряжения и обеспечивает расширение динамического диапазона преобразования входного напряжения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. (Л

) Е()

-

(/,

огрн

I,и on

- UozpS

arctg K

,-Kj) )

Фиг1

j ±1.I

Редактор П.Гереши

Систавитель Ё.Борзив Техред М.Дидык

Заказ 6303/56Тираж 900Подписное

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, 4

2Ц20

(C/e.J

Корректор М.Шароши