Широтно-импульсный модулятор

(51) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЪТИПРИ ГКНТ СССР Г1 ь-".1 ч 1, ".(56) Авторское свидетельство СССР ЬЬ 1292162, кл. Н 03 О 13/00, 1987,Авторское свидетельство СССР М 1288904, кл. Н 03 К 7/08, 22.10,84.(57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в измерительных системах и системах автоматизированного управления, Цель изобретения - расширение диапазона преобразуемых частот при сохранении точности преобразования. Широтно-импульсный модулятор содержит счетчик 1 импульсов, делитель 2 частоты, выходной ВЯ-триггер 4, выходную шину 5, шины 6, 7 опорной и измеряемой частот, элемент 12 совпадений. Введение в модулятор вычитателя 8 опорной и измеряемой частот, регистра 13, дешифратора 14, мультиплексора 15, счетного триггера 9, элементов 3, 11, 17, 18 и инверторов 10, 16 позволяет расширить диапазон преобразуемых частот при сохранении точности преобразования благодаря тому. что первоначальное значение кода пропорционально квадратному корню из величины измеряемой частоты, а также благодаря формированию зоны нечувствительности с помощью старших разрядов регистра, т.е. при сохранении разрядности счетчика импульсов и делителя частоты, 5 ил.1677857 ЮлР 1 1 О Ю 17 О 21 6 ю в го гг 1 Р 1 оставитель Е.Борзовехред М,Моргентэл Корректор С.Шевчук актор А.Маковск Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,аз 3122 Тираж 436 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в измерительных системах и системах автоматизированного управления.Целью изорбетения является расширение диапазона преобразуемых частот при сохранении точности преобразования.На фиг. 1 приведена функциональная схема широтно-импульсного модулятора; на фиг. 2, 3 - временые диаграммы его работы; на фиг, 4 - пример выполнения вычитателя опорной и измеряемой частот; на фиг. 5 - временные диаг раммы его работы,Широтно-импульсный модулятор содержит счетчик 1 импульсов, управляемый делитель 2 частоты, элемент И-НЕ 3, выходной ЯЯ-триггер 4, выходную шину 5, шину 6 опорной частоты, шину 7 измеряемой частоты, вычитатель 8 опорной и измеряемой частот, счетный триггер 9, инвертор 10, элемент И-НЕ 11, элемент 12 совпадений, регистр 13, дешифратор 14, мультиплексор 15, инвертор 16, элементы И-НЕ 17, 18,.при этом шина 6 опорной частоты соединена с тактовыми входами счетчика 1 импульсов, управляемого делителя 2 частоты и одним входом вычитателя 8 опорной и измеряемой частот. а выход - с входами инвертора 10 и счетного триггера 9, инверсный выход которого соединен с тактовым входом регистра 13, а прямой - с первыми входами элемента И-НЕ 11 и элемента 12 совпадений, вторые входы которых соединены соответственно с выходом инвертора 10 и выходом элемента И-НЕ З,входы которого соединены с информационными входами регистра 13 и входами счетчика 1 импульсов, вход разрешения счета которого соединен с выходом элемента 12 совпадений, а вход установки в "0" - с выходом элемента И-НЕ 11 и входом установки в "0" управляемого делителя 2 частоты, выходы которого соединены с входами дешифратора 14, выходы которого соединены с информационными входами мультиплексора 15, адресные входы которого соединены соответственно с выходами младших разрядов регистра 13, а выход - с первым входом элемента И-НЕ 18, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами старших разрядов регистра 13, а выход - с первым входом элемента И-НЕ 17 и с входом установки в "1" выходного ВБ-триггера 4. выход которого соединен с выходной шиной 5, а вход установки в "0" - с выходом элемента И-НЕ 17, второй вход которого соединен с выходом инвертора 16, вход которого соединен с первым выходом дешифратора 14,Вычитатель 8 опорной и измеряемой частот может быть выполнен на 1 К-триггерах"Лог,1", тактовый вход триггера 19 соединен с шиной 7 измеряемой частоты, его вход установки в "О" - с выходом элемента 22 совпадений, а его прямой выход - с первым входом дешифратора 24, второй вход которого соединен с прямым выходом КЯ-триггера 21, а третий - с прямым выходом триггера 20 и первым входом элемента ИНЕ 25. выход которого является выходом вычитателя, а второй вход соединен с шиной 6 опорной частоты и с тактовым входом триггера 20, вход установки в "0" которого соединен с выходом элемента 23 совпадений, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами элемента 22 совпадений и первым и вторым выходами дешифратора 24, третий выход которого соединен с третьим входом элемента 23 совпадений и входом установки в "0" триггера .21, а четвертый выход - с третьим входом элемента 22 совпадений и входом установки в "1" триггера 21,Широтно-импульсный модулятор работает следующим образом,Счетный триггер 9 делит импульсы разностной частоты на 2 (эпюры фиг.2 г). На выходе элемента 11 формируются узкие импульсы разностной частоты, поделенной на 2 (эпюры фиг.2 е), которые используются для начальной установки счетчика 1 и делителя 2 в нулевое положение, С приходом первого импульс разностной частоты (фиг,2 в) все триггеры счетчиков 1 и делителя 2 устанавливаются в нулевое положение, Триггер 9 опрокидывается в состояние "1" (эпюры фиг,2 г), На выходе элемента 3 потенциал равен "1", по входам и на выходе элемента 12 потенциалы равны "1", поэтому счетчик 1 и делитель 2 начинают изменять свои состояния в соответствии с эпюрами фиг.2 ж-о. На инверсном выходе триггера 9 Од = О, этот потенциал поступает на тактовый вход С регистра 13 и запрещает запись информации в триггеры регистра 13, С приходом второго импульса разностной частоты (фиг.2 в) триггер 9 опрокидывается в противоположное состояние, При этом потенциал Од = 0 через элемент 12 поступает на вход Ч разрешения счета счетчика 1. При Ч = 1 счетчик 1 работает в режиме деления входной частоты, При Ч =0 триггеры счетчика не переключаются, счетчик работает в режиме хранения записанной информации,Регистр 13 работает в режиме параллельного ввода (на входы 01-05) - параллельного вывода (с выходов 01- - 01-5)информации. Запись информации с входов на выходы регистра осуществляется при поступлении положительного фронта(0,1) напряжения по тактовому входу С.. Вычитатель 8 частот с элементами 9-12. осуществляет следующие функции: при 1 оц импульсы разностной частоты формируются на выходе вычитателя 8 частот, Триггер 9 делит эти импульсы на 2 и формирует полупериоды с потенциалом 09, равно - ц ным "1" и "0", с частотой2. На выходе элемента 11 формируются узкие имто - тцпульсы с частотой 2, причем момент появления этих импульсов совпадает с началом положительного полупериода импульса 09 (эпюры фиг.2 в-е).о цПолупериод частоты 2 с потенциалом 09 = 1 назовем тактом записи. С началом этого такта счетчик 1 и делитель 2 обнуляются узким импульсом с выхода элемента 11 и начинают менять свои состояния по мере поступления импульсов 1 о. Регистр 13 заблокирован сигналом по входу С 09 = О, его триггеры сохраняют прежнее состояние, записанное до начала такта записи.Следующий полупериод частоты о тцявляется тактом считывания, при этом импульс на выходе элемента 11 не формируется, потенциал 09 = О, Счетчик 1 потенциалом Ч = 0 останавливается, регистр положительным фронтом импульса 09(0,1) переписывает содержимое счетчика 1 на свои выходы,С формированием 3-го импульса частоты (1 о-ц) (фиг,2 г) потенциал 09 = 1, формируется узкий импульс по выходу элемента 11, это следующий такт записи. Счетчик 1 и делитель 2 обнуляются и начинают заполняться импульсами 1 о, регистр 13 хранит состояние, записанное в предыдущий полутакт записи, процесс повторяется.Таким образом, часть устройства на элементах 1, 3, 8-13 преобразует разность частот (1 оц) в код, меняющийся один раз зао цинтервал времени 2 в функции ВхОднОЙ частоты 1 ц,Моменты появления импульсов 1 о, ц, такты записи и считывания и импульсы на выходах триггеров счетчика и делителя в функции текущего значения времени приведены на фиг. 2 и 3 при различных соотношениях частот 1 о и ц.Работа дешифратора 14 в зависимости от потенциалов напряжений, поступающих 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 на его входы, поясняется табл. 1, В табл. 1 индексами Х обозначены входы дешифратора, индексами У - его выходы.В качестве ЯЯ-триггера используется триггер, который при подаче "О" на вход Я принимает состояние 0 = О, при подаче "0" на вход Я - состояние 0 = 1, при подаче "1" на входы Я и 3 остается в прежнем состоянии,Работа мультиплексора 15 заключается в том, что в зависимости от потенциалое по его адресным входам на выходе мультиплексора подключается один из инвертированных сигналов, поступающих на его информационные входы, согласно табл. 2.Потенциалы на выходах счетчика 1 при поступлении импульсов 1 о на тактовый вход "Т" приведены в табл, 3, Потенциалы приведены в предположении, что счетчик работает в режиме деления частоты при потенциале разрешающего входа Ч = 1.В табл. 4 приведены потенциалы на выходах триггеров делителя 2 частоты при отсутствии управляющих сигналов по входам Я триггеров, т.е. при Я = 1.В зависимости от соотношений между значениями частот 1 о и ц можно выделить три рабочие области работы устройства:1) между соседними импульсами выцитателя 8 частоты формируется не более 24 импульсов частоты 1 о;2) между соседними импульсами вычитателя 8 частоты формируется от 25 до 31 импульса частоты 1 о,3) между соседними импульсами вычитателя 8 частоты формируется 32 и более импульсов частоты 1 о.Для первой рабочей области в такт записи счетчик 1 с приходом импульса с потенциаломм "0" на входы Я с выхода элемента 11 переходит в первое состояние согласно табл, 3, делитель 2 частоты - в первое состояние согласно табл. 4. При этом согласно табл, 1 формируется потенциал "0" на выходе У 1 дешифратора 14, который через элементы 16 и 11 поступает на вход Я триггера 4 и переводит его в состояние 04 = О.На выходах триггеров старших разрядов регистра 13 01-4 и 01-5 формируются потенциалы е состояниях 1-14 согласно табл. 3. Один или оба из них имеют при этом потенциал "О", то есть на выходе элемента 18 потенциал всегда будет соответствовать "1", а выходной ЯЗ-триггер 4 всегда будет оставаться в состоянии 04 = О, Таким образом, если между соседними импульсами вычитателя 8 частоты формируется не более 0-24 импульса частоты 1 о, то на выходе устройства формируется постояный сигнал 04 =О, 167785755 Для второй рабочей области, когда между соседними импульсами вычитателя 8 частоты Ьоо формируется от 25 до 31 импульса частоты 1 о, на выходах старших разрядов регистра 13 01-4 и С 11-5 потенциалы равны "1", поэтому нет внешней блокировки элемента 18 (по его входам И, запускаемым от регистра 13, поступают потенциалы "1"), в этой области существует пропорциональная зависимость между величиной кода и шириной выходного импульса устройства.Для получения характеристики с изменением относительной длительности импульса от "0" до "1" с увеличением числа импульсов от 25 до 31 должна пропорционально увеличиваться длительность импульса с состоянием "1",Проанализируем два крайних случая, Пусть между двумя соседними импульсами вычитателя 8 частоты 1 оо формируется 25 импульсов частоты 1 о. Этот случай иллюстрируется эпюрами фиг. 2 и характеризуется окончанием такта записи при 25-м состоянии счетчика 1 согласно табл, 3.Если в промежуток времени Твых1поступает 25 импульсов частоты 1 о и оО ои24 импульса частоты 1 то можно высчитать ВЕЛИЧИНУ ЧаСтОтЫ 1 о 1 НаЧада ДИаПЭЗОНа РЕ- гулирования, приняв конкретно величину опорной частоты о = 1000 Гц,Твых,1 = 25 То = 24 Ти 1; 1 о 1 =1 о 24/25 = 960 Гц.В начале такта считывания по выходам счетчика 1 сформирован сигнал 01-1= 0, О 1-2О, 01-3 = О, 01-4 = 1, 01-5 = 1, который согласно табл. 3 соответствует 25-му состоянию счетчика 1, Для статического состоя- НИЯ, ПРИ НЕИЗМЕННОЙ ЧаСтатЕ 0 = то 1, ПО мере прихода 1-51 импульсов частоты 1 о (эпюры фиг. 2) на выходе мультиплексора 15 А 1-АЗ подаются сигналы А 1 = О, А 2 = О, АЗ = О. При этом согласно таблице истинность работы мультиплексора 15(табл. 2) на выход мультиплексора 15 подается инвертированный сигнал с его входа Х 1, который соединен с выходом У 8 дешифратора 14, Согласно таблице истинности работы дешифратора 14 (табл.1) на выходе У 8 формируется потенциал У 8 = О при подаче на входы дешифратора 14 потенциала Х 1 = 1, Х 2 = 1, ХЗ = 1, Согласно табл. 4 такие потенциалы на выходах триггеров делителя 2 ча,стоты формируются с приходом каждого 8-го импульса по тактовому входу "Т" делителя 2.Анализ эпюр фиг, 2 показывает, что при записи на триггерах регистра 13 25-го состояния счетчика 1 согласно табл. 3 на выходе устройства формируются импульсы с дли 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 тельностью в 1/8 часть периода выходного напряжения (1/8 часть периода с состоянием 1").Проанализируем ситуацию, когда между двумя соседними импульсами вычитателя 8 частоты 1 опоступает 31 импульс частоты то и 30 импульсов частоты о (фиг,З). Вычислим частотУ 1 о 2 конЦа Диапазона РегУ- лирования при Ьо = 1000 Гц,Твых.2 = 31 оТо = ЗОоТо 2 то 2 = то 30/31 = 967,74 Гц.Таким образом, при изменении длительности выходного устройства по всему диапазону регулирования изменение измеряемой частоты составляет 967,74 - 960 = 7,74 Гц. Относительное изменение частотыо/ 7,7 10000 осоставляет величину менее 1 ф,В начале такта считывания (эпюры фиг.3) по выходам счетчика 1 сформирован сигнал 01-1 = О, 01-2 01-5= 1, которыЙ согласно табл. 3 соответствует 31-му состоянию счетчика 1. Для статического состояния при неИЗМЕННОй ЧаСтстЕ 1 о = ок ПО МЕРЕ ПРИХОДа 1-70 импульсов частоты 1 о на входы мультиплексора 15 А 1-АЗ поступают сигналы А 1 = О, А 2 = 1, АЗ = 1. При этом согласно таблице истинности работы мультиплексора 15 (табл. 5) на выход мультиплексора 15 подается инвертированный сигнал с его входа Х 7, который соединен с выходом У 2 дешифратора 14. Согласно таблице истинности работы дешифратора 14 (табл. 1) на выходе У 2 формируется потенциал У 2 = О при подаче на входы дешифратора Х 1 = 1, Х 2 = О, ХЗ = О. Согласно табл. 4 такие потенциалы нэ выходах триггеров делителя 2 частоты формируются с приходом каждого второго импульса по тактовому входу "Т" делителя 2,Анализ эпюр фиг. 4 показывает, что при записи на триггерах регистра 13 31-го состояния счетчика 1 согласно табл. 3 на выходе устройства формируются импульсы с длительностью в 7/8 часть периода выходного напряжения.Для третьей рабочей области, когда между двумя соседними импульсами вычитэтеля 8 частоты формируются 32 и более импульсов частоты 1 о, от 32-го импульса (согласно табл. 3) на выходе элемента 3 формируется потенциал "0", который поступает на вход разрешения счета Ч счетчика 1 и блокирует его работу в 32-м состоянии. При Ч = 0 счетчик 1 хранит ранее записанную информацию. При подаче нулевого потенциала на вход В счетчика 1 его тригге- РЫ ПЕрЕХОдят В СОСтОяНИЕ С 11-10 г - 0150 г = О,то есть У = 1, блокировка снимается. Поэтому в начале каждого такта записи счетчик 1(2) 45 ци переходит в 1-е состояние согласно табл. 3. На выходах триггеров регистра 13 записаны потенциалы 01-1 - 01-5 = 1 (32-е состояние), На адресных входах мультиплексора 15 при этом А 1 - АЗ = 1, Согласно таблице истинности мультиплексора 15 (табл. 2) при этом на егО выход подключается инвертированный сигнал с его входа Х 8, который соединен с выходом У 1 дешифратора 14. Согласно таблице истинности работы дешифратора 14 (табл, 1) на выходе У 1 формируется потенциал У 1 = О при псдаче на его входы потенциалов Х 1 - ХЗ = О, Согласно табл, 4 такие потенциалы на выходах триггеров делителя 2 частоты формируются с приходом каждого 1-го импульса по тактовому аходу "Т" делителя 2, Импульс с потенциалом "0" с выхода элемента 18 поступает на вход элемента 17 и создает на его выходе потенциал "1", тем самым блокируя прохождение сигнала с потенциалом "0" на вход В триггера 4.Таким образом, в третьей рабочей области по входу В ЯЯ-триггера 4 не формируются потенциалы Я = Опо входу 3 регулярно проходят импульсы с потенциалом "О", поэтому триггер 4 постоянно находится в положении 04 = 1.Исходя из принципа работы устройства, можно написать следующие уравнения, характеризующие его работы;ТоКц 1 = То 1(Кц 1-1); То(Кц 1+1 0) =Тцг(Ко 1+10-1) (1) где То - период импульсов частоты 10;Тц 1. Тц 2 - ПЕрИОдЫ ИМПУЛЬСОВ ЧаСтстЫ 1 о в начале и в конце интервала,регулирова- ниЯ, соответствУюЩие частотам 1 ц 1 и аког;Ко 1, Кц 1+10 - КОД ВХОДНОЙ ЧаСтатЫ В начале и конце интервала регулирования.Уравнения (1) можно переписать следующим образом:То Кц 1 То гас + 10ПРи ДопУЩении, что гцг = тц 1+10, УРавнение преобразовывается в вид Кц 1 + 9 Кц 1 - (1 о 1+ 10 = 0 (3)г ПРи ДопУЩении, что Ко 19 Кц 1 1 о 1 10, пол учаем следующее выражение:Кц 1 = фц 1 (4)Таким образом, первоначальное значение кода пропорционально не текущему значению измеряемой частоты, а корню квадратному из его величины.В устройстве принят следующий прини формирования зоны нечувствительности (О - 1 ц 1) и полУчениЯ РегУлиРовочной характеристики. Код измеряемой частоты 1 ц рассматривается в виде кода младших разрядов (01-1 - 01.э) и кода старших разрядов 01-, 01-5). Младшие разряды используются для формирования всех значений регулиоуемои длительности в пределах ,1/8 - 78) относительной длительности ШИМ гх, а старшие для получения крайних значений 0 и 1 и блокировки устройства в этих положениях в зонах нечувствительности.В последней графе;абл, 3 приведены значения гв.,а в функции общего кода регистра 13. Как следует из анализа работы ус 1 ройства, при смене 25-3", состояний кода К; /К, .=- (25-31)/ относительная длительность выходны:. импульсов ШИМ меняется, в пределах (1/8-7/8). Анализлруя все состояния младших разрядов счетчика 1 по табл. 3, видим, что состояния 25-31 младших разрядов повторяются периодически по мере нарастания кода: при значениях кода 1-7, 9-Й, 17-23,25-3могли бы формироваться значения регулируемой длительности в пределах (1/8 -"/ 8)С помощью старших разрядов формируются состояния "0" в пределах кода К, .=)32 (если счетчик 1 имеет больше 32 состояний),При разделении функций старших имладших разрядов регистра 13 нет необходимости в сравнении накопленного кода скодом одной установки, вычитания кодов спомошью другой установки, что значительно упрощает схему устройства в целом,В предлагаемом устройстве в пределахзоны регулирования при К = 0-24 относительная длительность выходного импульсаравна 0; при К; = 25-31, гвых = 18-7(8; приЦ 32 твых = 1, т,е, минимальное значение относительной длительности выходногоимпульса равно О, максимальное - 1, полный динамический диапазон преобразования равен с-Анализ работы устройства показывает,что разрядность счетчика 1 определяет диапазон преобразования час; оты 1 ц, в пределах которого относительная длительностьвыходного импульса устройства (выход 04триггера 4) изменяется от О до 1.Чем больше триггеров входит в составсчетчика 1, тем уже диапазон преобразуемых частот 1 ц, тем выше коэффициент преобразования,Число разрядов делителя 2 частоты определяет дискретность изменения шириныимпульса на выхсде устройства. Чем больше триггеров входит в состав делителя 2частоты, тем большее число, уровней изменения длительности импульса выходногонапряжения имеется на выходе устройства,1677857 Габлица 1 О 0 0 Легкая перестраиваемость диапазон преобразования и,необходимой дискретности изменения выходной характеристики является достоинством предложенного устройства.Таким образом, введение в широтно- импульсный модулятор новых элементов и связей позволило расширить диапазон преобразуемых частот при сохранении точности преобразования благодаря тому, что первоначальное значение кода пропорционально квадратному корню иэ величины измеряемой частоты, а также формированию зоны нечувствительности с помощью старших разрядов регистра. т.е, при сохранении разрядности счетчика и делителя частоты.Использование счетчика импульсов и делителя частоты для формирования диапазона преобразуемых частот и дискретности изменения выходного импульса обеспечивает легкую перенастройку устройства для различных областей работы и независимость этик параметров от характеристик элементов.Формула изобретения Широтно-импульсный модулятор, содержащий счетчик импульсов, тактовый вход которого соединен с тактовым входом управляемого делителя частоты и шиной опорной частоты, элемент совпадения, выходной ВЯ-триггер, выход которого соединен с выходной шиной, и шину измеряемой частоты, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона преобразуемых частот при сохранении точности преобразования, в него дополнительно введены 5 10 15 20 25 30 35 вычитатель опорной и измеряемой частот, реФгистр, дешифратор, мультиплексор, счетный триггер, четыре элемента И-НЕ и два инвертора, при этом входы вычитателя опорной и измеряемой частот соединены с шинами опорной и измеряемой частот, а его выход - с входами первого инвертора и счетного триггера, инверсный выход которого соединен с тактовым входом регистра, а прямой выход - с первыми входами первого элемента И-НЕ и элемента совпадений, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого инвертора и второго элемента И-НЕ, входы которого соединены с информационными входами регистра и выходами счетчика импульсов, вход разрешения счета которого соединен с выходом элемента совпадений, а вход установки в "0" - с выходом первого элемента И-НЕ и входом установки в "О" управляемого делителя частоты, выходы которого соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с информационными входами мультиплексора, адресные входы которого соединены соответственно с выходами младших разрядов регистра, а выход - с первым входом третьего элемента И-НЕ, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами старших разрядов регистра, а выход - с входом установки в "1" выходного БЗ-триггера и первым входом четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с входом установки в "0" выходного БЯ-триггера, а второй вход - с выходом второго инвертора, вход которого соединен с первым выходом дешифратора,1677857 фиг а фчееъЧ мэкэВФФВО фф ффъфф фвЯм Ч ЦфЪ% аписа Гчопь 0 аное д У-/К 6 Р 7 М-НЕЮ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 О 1 О 1 0 О 1 О 1 0 о 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 о 0 1 1 1 1 0 0