Широтно-импульсный модулятор Советский патент 1991 года по МПК H03K7/08 

о

fc

CJ

VI о

Изобретение относится к импульсной технике и может найти применение в телеметрических информационно-измерительных системах, а также в системах управления силовым электрооборудованием экипажа скоростной пассажирской транспортной системы.

Целью изобретения является увеличение быстродействия широтно-импульсного модулятора.

На фиг.1 представлена схема модулятора; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу модулятора.

Широтно-импульсный модулятор содержит операционный усилитель 1 с конденсатором 2 в цепи обратной связи, резистор 3, включенный между входом 4 устройства и входом операционного усилителя 1, ключ 5, управляющий вход которого соединен с выходом устройства, резистор 6, соединяющий через ключ 5 вход операционного усилителя 1 с шиной 7 первого опорного напряжения, резистор 8, второй ключ 9, резистор 10, конденсатор 11, резистор 12 и компаратор 13.

Информационный вход ключа 9 через резистор 8 связан с шиной 14 второго опорного напряжения, а его выход объединен с первым выводом резистора 10 и первым выводом конденсатора 11. Резистор 12 соединяет вход операционного усилителя 1 с шиной 15 третьего опорного напряжения, выход операционного усилителя 1 подключен к первому входу компаратора 13. Второй вход компаратора 13 соединен с шиной 16 пилообразного напряжения, а его выход является выходом 17 устройства.

Широтно-импульсный модулятор содержит также второй операционный усилитель 18, устройство выборки-хранения (УВХ) 19, третий ключ 20, Т-триггер 21, инвертор 22, резистор 23, первый элемент И 24, второй элемент И 25, первый вход, который подключен к прямому выходу триггера 21, а второй вход соединен с его входом и выходом компаратора 13. Выход элемента И 25 подключен к управляющему входу ключа 9. Первый вход элемента И 24 через инвертор 22 связан с выходом 17 устройства, его второй вход соединен с прямым выходом триггера 21, а выход - с управляющим входом третьего ключа 20. Выход второго ключа 9 подключен к входу второго операционного усилителя 18, выход которого соединен непосредственно с вторым выводом второго конденсатора 11 и через УВХ 19 - с информационным входом третьего ключа 20, выход которого связан с вторым выводом резистора 10, а управляющий вход УВХ 19 соединен с инверсным выходом триггера

21, выход УВХ 19 связан через резистор 23 с входом первого операционного усилителя 1.

Широтно-импульсный модулятор работает следующим образомГ

Пусть в начальный момент времени ключи 5, 9 и 20 разомкнуты, конденсаторы 2 и 11 разряжены, на выходе УВХ 19 и выходе 17 устройства нулевое напряжение, триггер

21 по прямому выходу установлен в О. В начале работы модулятора токи во входных цепях интегросумматора, образованного элементами 3 - 6 и 12, суммируются и на выходе операционного усилителя 1 с конденсатором 2 в цепи обратной связи вырабатывается напряжение, сравниваемое на компараторе 13 с пилообразным напряжением, поступающим с шины 16. При совпадении этих напряжений компаратор 13

завершает формирование временного интервала. Сигнал с выхода компаратора 13 подается на выход 17, на управляющий вход ключа 5, счетный вход триггера 21 и вход инвертора 22. Суммарный ток на входе операционного усилителя 1 при этом меняет свое направление

При воздействии переднего фронта импульса с компаратора 13 Т-триггер 21 переходит в состояние 1. На выходе элемента И 25 в это время появляется напряжение единичного уровня, под воздействием которого происходит замыкание ключа 9 на время Ги и интегрирование опорного напряжения с шины 14 дополнительным интегратором, состоящим из операционного усилителя 18 с конденсатором 11 в цепи обратной связи и резистора 8. Ключ 20 при этом разомкнут нулевым уровнем сигнала с

выхода элемента И 24, так как на ее первом входе присутствует сигнал логического О с выхода инвертора 22. При совпадении убывающего сигнала с операционного усилителя 1 с пилообразным напряжением с шины

16 компаратор 13 переходит из состояния 1 в состояние О. При этом, соответственно, элемент И 25 вырабатывает сигнал нулевого уровня, размыкающий ключ 9, и таким образом завершается интегрирование

опорного напряжения с шины 14 интегратором, состоящим из элементов 18, 11 и 8. В то же время инвертор 22 формирует сигнал 1, который совместно с единичным сигналом с прямого выхода триггера 21 через

элемент И 24 замыкает ключ 20 на время Т - ти .Однако так как в исходном состоянии на выходе схемы УВХ 19 был сигнал нулевого уровня, он не оказывает влияния на результат интегрирования в первом такте.

При новом совпадении напряжения с выхода операционного усилителя 1 и пилообразного напряжения с шины 16 компаратор 13 снова переходит в состояние 1, осуществляя замыкание ключа 5 на время ги и тем самым разрешая интегрирование опорного напряжения с шины 7. Суммарный ток во входной цепи интегросумматора на элементах 3, 6 и 12 снова меняет свое направление, компаратор 13 устанавливается в 1, триггер 21 - в состояние О, т.е. с прямого выхода снимается сигнал нулевого уровня, под воздействием которого элемент И 25 также формирует сигнал логического О, размыкающий ключ 9. УВХ 19 переходит в режим выборки под воздействием единичного сигнала с инверсного выхода триггера 21. Ключ 20 во втором такте разомкнут сигналом О с выхода элемента И 24.

В следующем такте работа устройства происходит, как и в первом такте, с тем лишь отличием, что на выходе УВХ 19 присутствует сигнал нулевого уровня, а значит, результат интегрирования на выходе операционного усилителя 16 определяется как интегрированием в течение времени Ти опорного напряжения с шины 14, так и интегрированием в течение времени Т-ги напряжения на выходе УВХ 19, полученного в первом такте.

Таким образом, в нечетные такты происходит быстрое формирование нового значения нелинейной составляющей характеристики дополнительным интегратором на элементах 8 - 11, 14, 18 и 20, а в четные - выборка этого значения УВХ 19, так что цикл подбора результата для всего устройства состоит из двух тактов. Постоянная и линейная составляющие функциональной характеристики формируются каждый такт аналогично прототипу.

Описание состояния ключей и УВХ, однозначно задаваемых периодом пилообразного напряжения по интервалам времени в течение одного цикла преобразования, может быть сведено в следующую таблицу, где буква 3 - обозначает замкнутое состояние ключа, Р - разомкнутое, В - выборка УВХ, X - хранение информации УВХ.

Все элементы устройства являются хорошо известными. Усилители 1 и 18 можно реализовать, к примеру, на микросхемах 544УД1, УВХ 19 можно применить, например, типа КР1100СК2, ключи 5, 9, 19 и 20 - типа К590КН5 (4 ключа в корпусе), компаратор 13 может быть широко распространенным типа 52САЗ, триггер 21 типа 155ТМ2, элементы И 24 и 25, например, 155ЛИ1,

0

5

0

5

0

5

155ЛА1, резисторы 3,6,12,8, 10 и 23, например, типа С2-29, конденсаторы 2 и 11 типа ФТ1, ФТ2.

В основу построения модулятора положен принцип получения нелинейной зависимости длительности выходного импульса в функции входного напряжения на основе интегрирования с непрерывным сбросом в процессе усреднения, при котором через два такта формируется результат, определяющий по обратной связи быструю сходимость процесса усреднения, что достигается временным разделением как при интегрировании, так и при формировании нового значения выходного такта нелинейной ветви интегросумматора, благодаря чему получение установившегося значения выходного сигнала происходит существенно более быстрое, чем в прототипе.

Рассмотрим формирование нелинейного закона изменения выходного тока через резистор 23 от опорного напряжения-с шины 14 на элементах дополнительного интегратора 8 - 11, 18-20.

Принимая во внимание то, что процесс интегрирования происходит лишь в нечетные такты, а в четные такты напряжение на выходе операционного усилителя 18 остается постоянным, определим номер такта, как

k 2n -M. где k - номер такта,

п 0, 1,2,3, ...

Тогда на выходе операционного усилителя 18 дополнительного интегратора будем иметь

1 tk1

f -г Uk-idt ,(1)

Uk Uk-i tk tk

/ Uondt--. / гч -1r2tk - 1

гдеТ1 ReCn - постоянная интегрирования по входу дополнительного интегратора;

т RioCii - постоянная интегрирования по цепи обратной связи дополнительного интегратора;

Uk, Uk-i - напряжение на выходе дополнительного интегратора в рассматриваемый и предыдущий такт соответственно;

Т - период ШИМ-сигнала; ти - длительность импульса ШИМ-сигнала.

Введем обозначение

i,.

Jondt

Чс-1

и учитывая, что согласно описанному алгоритму работы интегрирование по цепи обратной связи происходит за время Т - ти перепишем (1) в виде

Uk Uk-i + Pk J

Т2

Т-Ги

/-Uk-idt.

о

Взяв интеграл и приведя подобные, получим

Uk Uk-i(1)+Pk,(2)

гдеА Т-ти :

,

Полученное уравнение является линейным разностным неоднородным уравнением первого порядка. Решение этого уравнения находится в виде

-f)+P«-2 0-f)2++

Uk Pk + Pk-l (1 А

+Р1 (1-g) + U0 ()k,(3)

где Uo - напряжение на выходе интегратора в начальный момент времени to.

При условии постоянства опорного сигнала

Pt Pa .. .

T1

/ Uondt

выражение (3) упрощается. Используя формулу суммы геометрической прогрессии, получим

Uk pf 1- ()kJ+Uo(1-|)k Из (5) следует, что при условии

(6)

(5)

и увеличении k, Uk стремится к своему установившемуся значению

Ukco pf -I«U°n. Т2 Т1

Т-Ти

«8

где Э ти/Т - относительная длительность выходного ШИМ-сигнала.

При установившемся выходном сигнале, т.е. при выполнении условия

TM(k)Tv,(k + 1)rM и выборе постоянных интегрирования

,(8)

получим из (5) с учетом (7)

-

r7 J

Ъ

Ј/Uor,(l

Т2

TM)k +

+ U0(l-I)k -U0nT B.

О)

Установившееся значение (9) при точном соблюдении равенства (8) получается за два такта работы дополнительного интегратора, что следует из (5).

Проанализируем сходимость процесса при неточном соблюдении равенства (8), но выполняя (6). Так, если задаться максимально быстрой сходимостью (за два такта) при Э3 0,5 (в середине диапазона изменения относительной длительности импульса ШИМ-сигнала), то сходимость за 8 - 9 тактов обеспечивается в диапазоне изменения 0 0,2 - 0,8 при относительной погрешности преобразования в 1%. Это подтверждается подстановкой в (5) значения А/В для текущего ту , соответствующего выбранному диапазону 0. Относительная динамическая погрешность выходного напряжения к-го такта работы в установившемся режиме равна:

3э

Uk - Ukoo Ukoo

o-Vh)k

(10)

15

20

Логарифмируя (10), получим, что число тактов для достижения установившегося значения с погрешностью дэ равно

О-1-)

Ъ 0,5, т.е.

±т -1

2 2

погрешность дэ отсутствует и установившееся напряжение получается за два такта.

При©

Т2 Т -

T -4-T Ai и Ai/B 1

25

30

При ,2

т2 Т-2/10Т 0,8Т А2 и отношение

-йт-1 Ги

Подставляя в (11) дэ 1%. Т - 1,6.

Ъ

получим

k

In 10

8 тактов.

In 1(1 -1.6)1 Средний ток за период, получаемый от 35 входной ветви интегросумматора, формирующий нелинейную составляющую функциональной, характеристики модулятора, равен

1ср. Uk G23,

где G23 - проводимость резистора 23. 40 Проссумировав входные токи интегросумматора, получим

Uex k(bo + . (12)

где k 1 /63; 45 bo U0niGi2;

bi U0n2 Ge:

b2 Uon3 G23;

Uoni. Uon2, U0n3 - величины соответственно первого, второго и третьего опорных 50 напряжений.

Функциональная характеристика модулятора будет обратной функцией по отношению к выражению (12), т.е. определяется в соответствии с выражением 550 fT(UBX)

Устройство позволяет выполнять нелинейную широтно-импульсную модуляцию с аппроксимацией воспроизводимой зависимости обратной функцией от выражения, содержащего постоянный член, линейную составляющую и нелинейную составляющую вида простой дроби, С помощью выражения с простой дробью могут аппроксимироваться различные функции. Например, экспоненциальная функция 1х-1 аппроксимируется в диапазоне быстрой сходимости © 0,2 - 0,4 выражением вида (12), где bo -О.О б: bi 1,574; b2 0,1026 с приведенной погрешностью в диапазоне от 0,2 до 0,7%. При этом функциональная характеристика шмротно-импульсного модулятора соответствует логарифмической функции вида In (х-1).

Переход от получения нелинейной функциональной зависимости выходного сигна- ла модулятора на основе пассивных импульсно-управляемых многополюсников с последующей операцией медленного сглаживания в цепи подбора интервала на использование активных структур интеграторов с аналоговой памятью при организации на их основе двухтактного управления выборкой информации г, одновременным быстрым формированием нового значения входного тока во входной цепи интегросум- матора позволяет значительно увеличить быстродействие предлагаемого модулятора (при заданной точности) по сравнению с прототипом. Это достигается за счет снятия принципиального противоречия между точностью и быстродействием в управляемом делителе напряжения времяимпульсного типа со сглаживанием импульсных потоков, так как исключает необходимость в сглаживающих конденсаторах большой емкости, органичивающих быстродействие в прототипе и на уровне сотен периодов ШИМ-сигнала Т. Само значение периода Т ограничено снизу величиной десятков микросекунд при использовании ключей в режиме переключения напряжения.

Кроме того, предлагаемый модулятор не требует для проведения усреднения с высокой точностью конденсатора большой емкости, а значит, повышается технологичность по сравнению с известным. Действительно, если для обеспечения должного усреднения при точностях в районе 0,1% емкость конденсатора у прототипа составляет порядка единиц микрофарад, то для

предлагаемого устройства достаточно иметь единицы нанофарад.

Формула изобретения Широтно-импульсный модулятор, содержащий операционный усилитель с конденсатором в цепи обратной связи, первый резистор, включенный между входом устройства и входом операционного усилителя, первый ключ, управляющий вход которого

соединен с выходом устройства, второй резистор, соединяющий через первый ключ входоперационногоусилителя с шиной первого опорного напряжения, информационный вход второго ключа через третий

резистор соединен с шиной второго опорного напряжения, выход объединен с первым выводом четвертого резистора и первым выводом второго конденсатора, а пятый резистор соединяет вход операционного

усилителя с шиной третьего опорного напряжения, выход операционного усилителя подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с шиной пилообразного напряжения, а его выход является выходом устройства, отличающий- с я тем, что, с целью увеличения быстродей- ствия, в него введены второй операционный усилитель, устройство выборки-хранения, третий ключ, Т-триггер, шестой резистор,

первый и второй элементы И, первый вход второго элемента И подключен к прямому выходу триггера, второй вход соединен с входом Т-триггера и выходом компаратора, выход второго элемента И подключен к управляющему входу второго ключа, первый вход первого элемента И через инвертор соединен с выходом устройства, второй вход соединен с прямым выходом Т-триггера, а выход - с управляющим входом третьего ключа, причем выход второго ключа подключен к входу второго операционного усилителя, выход которого соединен непосредственно с вторым выводом второго конденсатора и через устройство выборки-хранения - с информационным входом третьего ключа, выход которого соединен с вторым выводом четвертого резистора, управляющий вход устройства выборки-хранения соединен с инверсным выходом

Т-триггера, а выход устройства выборки- хранения соединен через шестой резистор с входом первого операционного усилителя.

Изобретение относится к импульсной технике. Цель изобретения - увеличение быстродействия широтно-импульсного модулятора - достигается тем, что в него введены операционный усилитель 18, устройство 19 выборки-хранения, ключ 20, Т-триггер 21, резистор 23, элементы И 24, 25. Широтно- импульсный модулятор содержит также операционный усилитель 1 с конденсатором 2 в цепи обратной связи, резисторы 3, 6, 8, 10, 12, ключи 5, 9, шины 7, 14, 15 опорного напряжения, конденсатор 11, компаратор 13, шину 16 пилообразного напряжения, инвертор. 2 ил. in С