Широтно-импульсный модулятор

(51)5 Н РЕТЕ СВИД АВТОРСК ЪСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(22) 07.02.89 (46) 23,04.91. Бюл. ЬЬ 15 (71) Ленинградский технологический институт холодильной промышленности, Всесоюзный научно-исследовательскийи проектный институт "Гидротрубопровод" и Ленинградский электротехнический институт им. В.И,Ульянова (Ленина) (72) А,Н.Евстигнеев, Т.Г.Кузьмина, А.П.Потоцкий, Н.М.Сафьянников, Ю.Д.Соколов и А,В.Череватый (53) 621.376.5 (088.8) (56) Никитенко С.Г, Время-импульсные арктангенсные аппроксиматоры: Сб. Вычислительная техника.Под ред. В.Б,Смолова, Вып. 5, ЛГУ, 1974, с, 23 - 28.Авторское свидетельство СССР ЬЬ 731573 кл. Н 03 К 7/08, 1980,.,Ж 1644370 А 1(57) 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 опорноо напряжения, конденсатор 11, компаратор 13, шину 16 пилообразного напряжения, инвертор 22. 2 ил,Изобретение относится к импульсной технике и может найти применение в теле- метрических 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 триггера30 35 40 45 16 компаратор 13 переходит из состояния "1" в состояние "О", При этом, соответствен 50 55 5 10 15 20 25 21, выход УВХ 19 связан через резистор 23 с входом первого операционного усилителя 1,Широтно-импульсный модулятор работает следующим образом.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 то 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 "0" с выхода инвертора 22. При совпадении убывающего сигнала с операционного усилителя 1 с пилообразным напряжением с шины но, 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 ХИ,ОДндко 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 ти 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 "0", т.е, с прямого выхода снимается сигнал нулевого уровня, под воздействием которого элемент И 25 также формирует сигнал логического "0", 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 "0" 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-ти напряжения на выходе УВХ 19, полученного в первом такте,Таким образом, в нечетные такты и роисходит 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, Х - хранение информации УВХ.Все элементы устройства являются хорошо известными, Усилители 1 и 18 можно реализовать, к примеру, на микросхемах 544 УД 1, УВХ 19 можно применить. например, типа КР 1100 СК 2, ключи 5, 9, 19 и 20 - типа К 590 КН 5 (4 ключа в корпусе), компаратор 13 может быть широко распространенным типа 52 САЗ, триггер 21 типа 155 ТМ 2, элементы И 24 и 25, например, 155 ЛИ 1,155 ЛА 1, резисторы 3, 6, 12, 8, 10 и 23, например, типа С 2-29, конденсаторы 2 и 11 типаФТ 1, ФТ 2,В основу построения модулятора поло 5 жен принцип получения нелинейной зависимости длительности выходного импульсав функции входного напряжения на основеинтегрирования с непрерывным сбросом впроцессе усреднения, при котором через10 два такта формируется результат, определяющий по обратной связи быструюсходимость процесса усреднения, что достигается временным разделением как приинтегрировании, так и при формировании15 нового значения выходного такта нелинейной ветви интегросумматора, благодаря чему получение установившегося значениявыходного сигнала происходит существенно более быстрое, чем в прототипе.20 Рассмотрим формирование нелинейного закона изменения выходного тока черезрезистор 23 от опорного напряжения с шины 14 на элементах дополнительного интегратора 8 - 11, 18 - 20.25 . Принимая во внимание то. что процессинтегрирования происходит лишь в нечетные такты, а в четные такты напряжение навыходе операционного усилителя 18 остается постоянным, определим номер такта, как30 к=2 п+1,где к - номер тактап=0,1,2,3,Тогда на выходе операционного усилителя 18 дополнительного интегратора будем35 иметь1 1Ок = Ок--Оопбт -- ,) Окбс,(1)гц -1 г 2 а - 1где т 1 = ВвС 11 - постоянная интегрирования40 по входу дополнительного интегратора;г 2 = ВюС 11 - постоянная интегрирования по цепи обратной связи дополнительного интегратора;Ок, Ок- напряжение на выходе допол 45 нительного интегратора в рассматриваемый и предыдущий такт соответственно;Т - период ШИМ-сигнала;ги - длительность импульса ШИМ-сигнала.50 Введем обозначениегк- О 0 пй,ци учитывая, что согласно описанному ал 55 горитму работы интегрирование по цепиобратной связи происходит за время Т - тперепишем (1) в виде1644370 ния О= 0,2 - 0,8 при относительной погрешности преобразования в 1 ф,. Это подтверждается подстановкой в (5) значения А/В для текущего то, соответствующего выбранно му диапазону О, Относительная динамическая погрешность выходного напряжения к-го такта работы в установившемся режиме равна:О - ОоооЛогарифмируя (10), получим, что числотактов для достижения установившегосязначения.с погрешностью д, равно1 п 1 д,(11)1 п 1(1 ")При О = 0,5, т.е.тг = Т -- Т = - Т = А 1 и А 1/В = 11 12 2погрешность дв отсутствует и установившееся напряжение получается эа два такта,(3) При 9= 02гг = Т - 2/10 Т = 0,8 Т = Аги отношение0,8 ТА 2/В 0 5 Т,6.Подставляя в (11) дв= 1(, Т -- = 1,6,Ги30 хгполучим1( -1 и 10- 8 тактов. тг, О(7)35где О = ти/Т - относительная длительностьвыходного ШИМ-сигнала.При установившемся выходном сигнале, т.е. при выполнении условия%е(1 с) =%еф + 1) = гии выборе постоянных интегрированият 1 =гг =Т - хи, (8)получим из (5) с учетом (7)О =- - У" Оопп (1 - (1 - ") )+1 Ф гг т-т ,Т 1 0 т-Хи Тг+ 00(1 - и)" = - Ооп - -- ц, (9)Установившееся значение (9) при точном соблюдении равенства(8) получается задва такта работы дополнительного интегратора, что следует из (5),Проанализируем сходимость процессапри неточном соблюдении равенства (8), новыполняя (6), Так, если задаться максимально быстрой сходимостью (за два такта) при 558- 0,5 (в середине диапазона измененияотносительной длительности импульсаШИМ-сигнала), то сходимость за 8 - 9 тактов обеспечивается в диапазоне измене 40 45 Взяв интеграл и приведя подобные,получимО Оь 1(1, ) +Р,А(2)гдеА-Т - ги ,В = гг.Полученное уравнение является линейным раэностным неоднороднымуравнением первого порядка. Решение этого уравнения находится в видеОк = Р 1+ Р(1 - ) + Р(1 -- ) ++А А гВ В+Р 1 (1 - ) +О (1 - )А -1 АВ Вгде Оо - напряжение на выходе интеграторав начальный момент времени то.При условии постоянства опорного сигнала1 хР,=Р,==Р,=Р=- - " Оопа (4)71 0выражение (3) упрощается. Используя формулу суммы геометрической прогрессии,получимОМ = Р - (1 - (1 - ) )+ Оо(1 - - ) . (5)А В ВИз (5) следует, что при условии1 -- 11АВ(6)и увеличении К 0 стремится к своему установившемуся значениюВ Хи Ооп т 2О 1 оо = Р - = - - .А т 1 т-ги Средний ток за период, получаемый от входной ветви интегросумматора, формирующий нелинейную составляющую функциональной характеристики модулятора, равен1 ор. = 0 Огз,где О 2 з - проводимость резистора 23.Проссумировав входные. токи интегро- . сумматора, получимОвх = М(Ьо+ Ь 1 Э - ,1 -ф, (12)Ь 29- где М = 1/Оз;Ьо= Ооп О 12,Ь 1 = Ооп 2 ОбЬ 2 = Оопэ Огэ:01, Ог, Оопз - величины соответственно первого,второго и третьего опорных напряжений.Функциональная характеристика модулятора будет обратной функцией по отношению к выражению (12), т,е. определяется в соответствии с выражениемО= т (Овх)Устройство позволяет выполнять нелинейную широтно-импульсную модуляцию с аппроксимацией воспроизводимой зависимости обратной функцией от выражения; со 1644370держащего постоянный член, линейную составляющую и нелинейную составляющую вида простой дроби, С помощью выражения с простой дробью могут аппроксимироваться различные функции, Например, экспоненциальная функция "-1 аппроксимируется в диапазоне быстрой сходимости О0,2 - 0,4) выражением вида (12), где Ьо = -0,06; Ь = 1,574; Ьг = 0,1026 с приведенной погрешностью в диапазоне от 0,2 до 0,7 О, При этом функциональная характеристика широтно-импульсного модулятора соответствует логарифмической функции вида 1 п (х - 1).Переход от получения нелинейной функциональной зависимости выходного сигнала 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 нг их основе двухтактного управления выборкой информации с одновременным быстрым формированием нового значения входного тока во входной цепи интегросумматора 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 для5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 вход операционного усилителя 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, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения быстродействия, 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.-Уу Составитель М, Леоновактор А, Шандор Техред М.Моргентал Коррек о Заказ 1247 ВНИИПИ Госуда при ГКНТ ССС оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ОД ОЮ 8 их17 Тираж 475 Подписноевенного комитета по изобретениям и открыт113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5