Цифровой широтно-импульсный модулятор

ОПИСАНИЕ ЗО 5577ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических РеспубликЗависимое от авт. свидетельства М аявлено 20.11.1970 ( 1403998/18-24) ПК Н 03 с 7/1 О рисоединением заявки ЛЪ ПриоритетОпубликовано 04.71.1971. Бюллетень ЛЪ 18Дата опубликования опцсашя 23.Л 1.1971 ет па дела эобретений и открытий УДК 621.376.5(088,8) оеете Министра СССР пр Авторыизобретения. КАЯЯА ский заочный политехнический институт аявитель ЦИФРОВОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЪЙ МОДУЛЯТОР Изобретение относится к автоматике, телемеханике и вычислительной технике,Известны цифровые широтно-импульсные модуляторы, содержащие генератор тактовых импульсов, кольцевой регистр сдвига, блоки синхронизации, триггерные счетчики, блок управления, схемы И, аналого-цифровые преобразователи и суммирующий усилитель.В предлагаемом модуляторе, с целью повышеция точности работы, получения выходной характеристики с переменным шагом квантования по амплитуде и ограничения по максимуму, выходы старших разрядов счетчиков через стробирующие ячейки подключены ко входу кольцевого и реверсивного регистров, выходы которых подключены ко входам трех управляющих триггеров и двух триггеров защиты, выходы которых соединены со входом суммирующего усилителя.На фиг, 1 изображена развернутая функциональная схема цифрового широтно-импульсного модулятор а; на фиг. 2 - его выходная характеристика,В состав модулятора входят: генератор 1 незатухающих колебаний с формирователем тактов, кольцевой регистр сдвига на восьми ячейках 2 - 9, позволяющий получать восемь однополярных импульсов тока из каждых четырех периодов колебаний генератора 1; два блока синхронизации на элементах 10 -18 в цепи задания ц 14 - 17 в цепи обратной связи; два нереверсивцых трцггерных счетчика на ячейках 18 - 27 и 28 - 87 соответственно, играющих роль интегрирующего и делительного устройств; четыре стробцрующие ячейки 88 - 41 для управления работой кольцевого регистра на ячецках 12 - 45 и реверсивного регистра на ячейках 46 - 51 блока управления ц защиты; трп выходных управляющих феррпт-транзисторных триггера 52 - 54, феррит-транзисторные триггеры защиты 55 и 56, которые вместе со схемамц И 57 и 58 защищают исполнительное устройство от реверса прц оольшцх цлц длительных рассогласоваццях; два ацалого-цифровых преобразователя 59 ц 60 в цепи зада. цця и в цепи обратной связи ц суммцрующцй усилитель 61.Перед началом работы все элементы схемы устанавливаются специальным импульсом сброса в состояние, изображенное ца фцг. 1, где заштрихованной половице триггера соответствует высокий отрицательный потенциал, а заштрихованной ячейке - первоначальная установка ее в единичное состояние.Работу модулятора целесообразно рассма. трцвать в трех режимах:1 - при отсутствии импульсов задания ц импульсов ооратцой связи /з;5 о полупериода го григгерного Среднее значение напряжения триггераср -ог 5 30 2 - при наличии импульсов задания и обратной связи;3 - в режиме защиты,При отсутствии импульсов задания и обратной связи схема работает следующим образом: генератор импульсов тактовой частоты и кольцевой регистр сдвига периодически вырабатывают восемь однополярных импульсов тока Р, - Р 8, частбты следования которых и временные сдвиги между которыми одинаковы, Импульсы тактовых частот Р, и Рь поступая на младший разряд триггерного счетчика цепи задания (ячейки 18 - 21), продвигают единицы по разрядам счетчика, деля частоту в каждом разряде на два (здесь и в дальнейшем название счетчиков и других элементов задания и обратной связи чисто условное). Импульсы тактовых частот Р и Р 6, поступая на младший разряд триггерного счетчика цепи обратной связи (ячейки 28 - 31), делают то же самое.Данная операция происходит следующим образом.Импульс тактовой частоты Р, считывает ячейки 19 и 21. Единица при этом переписывается в ячейку 20. Импульс тактовой частоты Рг продвигает единицу из ячейки 20 в ячейку 19, Одновременно с этим выходной импульс ячейки 20 считывает единицу из ячейки 24 и записывает ее в ячейку 23. 1 Лмпульс тактовой частоты Р, только подтверждает состояние ячеек 18 и 20. Следующий цикл импульсов тактовой частоты продвигает единицу из ячейки 19 в ячейку 18, а затем возвращает ее в ячейку 21,Импульсы тактовых частот Р 5 и Р воздействуя на триггерный счетчик цепи обратной связи, производят аналогичные операции.Так как при установке начальных условий в старший разряд триггерного счетчика цепи обратной связи (ячейка 37) записывается единица (что соответствует уменьшению емкости этого счетчика наполовину), четвертый импульс тактовой частоты Р 5 считывает единицу из ячейки 37 и записывает ее в ячейку 40 и 41, Восьмой импульс тактовой частоты Р, считывает единицу из ячейки 25 и записывают ее в ячейки 38 и 39.Схема управления и защиты действует в этом режиме следующим образом. Импульс тактовой частоты Р 6 или Р 8 считывает ячейку 40, и ее выходной импульс считывает ячейки 41 и 44, Выходной импульс ячейки 44 записывает единицу в ячейку 45 и считывает ячейку 49. При этом единица в реверсивном регистре может передаваться только от ячейки 49 к ячейке 48, так как полупроводниковый триод ячейки 41 в это время еще открыт. Одновременно с этим изменяется состояние управляющего триггера 53. Очередной импульс тактовой частоты (Р 2 или Р 4) продвигает единицу из ячейки 45 в ячейку 42 и готовит схему к следующей операции,35 40 45 50 55 60 65 Импульс тактовой частоты (Р 2 или Р) считывает ячейку 38, а ее выходной импульс аналогично ранее рассмотренному возвращает единицу из ячейки 48 в ячейку 49, вновь изменяя состояние управляющего триггера 53. Скважность выходного импульсного напряжения триггера 53 за каждый период определяется выражением:5= - " =1,п где- длительность одного полупериода(паузы).Частота переключений триггера 53 связана с частотой тактовых импульсов Р слеР,дующим соотношением; : -ггде и - количество разрядовсчетчика,ВЫХОДНОГО НМПУ.ЬСНОГО53 за периотпт где Ьо - напряжение коллекторного итанпятрипера;Т - период колебаний выходного импульсного напряженияри Гера.Данный режим работы схемы удобен для первоначальной проверки ее и при наладке.При наличии импульсов задания и импульсов обратной связи схема десвует следующим образом.Если преобразуемые сигналы Г 1 и Г, представлены в аналоговой форме, Они подаются сначала на цифро-аналоговые функциональные преобразователи 59 и б 0, а затем в частотной форме - на соответствующие входы схем И 57 и 58. -1 астотные преобразуемые сигналы вводятся непосредственно на входы этих схем. В данном режиме эти схемы разрешают прохождение импульсов к соответствующим блокам синхронизации, так как на другие их входы подаются разрешающие (высокие отрицательные) потенциалы с соответствующих выходов триггеров защиты 55 и 5 б.Блоки синхронизации работают следующим образом.При отсутствии импульсов задания на входе триггера 13 последний запрещает прохождение импульсов через схему И 11, так как па один нз ее входов подается низкий отрицательный потенциал с триггера 13. Импульсы тактовой частоты Рз периодически записывают единицу в ячейку 12, а импульсы тактовой частоты Р, считывают ее, но ввиду запрета со стороны схем И 11, импульсы в ячейку 10 не передаются.Импульс частоты заданияизменяет состояние триггера 13, вследствие чего на одном из входов схемы И 11 появляется раз 30557755 60 65 решающий потенциал, и схема 11 разрешает передачу единицы из ячейки 12 в ячейку 10 с тактовым импульсом Рь Импульс тактовой частоты Рз считывает ячейку 10, а ее выходной импульс считывает ячейки 19 и 21 (единица в младшем разряде к этому моменту может находиться только в одной из эти.; ячеек). Одновременно выходной импульс ячейки 10 возвращает триггер 13 в исходное состояние, запрещая прохождение следующего импульса через схему И 11. Следовательно, в блоке синхронизации импульс частоты , замещается импульсом тактовой частоты Р. Аналогично работает блок синронизации и в цепи обратной связи с импульсами тактовых частот Р; и Ру.Так как оба триггерных счетчика синхронно управляются импульсами тактовых частот Рь Р и Рь Р 6, а импульсы задания вводятся на их входы синхронно с импульсами тактовых частот Рз и Рс, схема модулятора надежно защищена от потери информации.Данное обстоятельство порождает определенное ограничение для частот , и , заключающееся в том, что эти частоты не должны превышать частоту тактовых импульсов, т. е.1(РЗ а 2(Р 7 При нарушении этих условий происходит безвозвратная потеря информации.Особенностью работы схемы при наличии импульсов частот , исостоит в том, что наряду с тактовыми импульсами триггерные счетчики заполняют импульсы частоти , а это приводит к уменьшению их относительной емкости, вследствие чего несколько повышается частота импульсного напряжения триггера 53 и изменяется скважцость импульсного напряжения. Частота переключений триггера 53 определяется выражением:с- Л/вых -г Выодная арактеристика модулятора изображена на фиг, 2, где по оси ординат отлоиены средние значения выходного напряжения триггера 53 в функции разности ЛМ между числом импульсов частоты Р, и числом импульсов частоты .Благодаря частотно-фазовому принципу работы схемы, а также вследствие дискретности ввода импульсов на входы, происодиг квантование по времени выходного напряжения, определяемое тактовой частотой и частотамии , заполняющими счетчик, ц квантование по уровню, вызванное дискретностью поступления импульсов частот , иДанные утверждения справедливы для зоны 1 (см. фиг. 2) выходной характеристики модулятора.Приращение среднего значения выодного импульсного напряжения на один импульс частоты , илиопределяется формулойду сУгв - 1 5 10 15 г 0 г 5 30 35 40 45 50 Из формулы видно, что стабильность работы модулятора зависит от стабильности напряжения, питающего триггер 53. Широтно-импульсно модулированное напряжение с выода последнего поступает на суммирующий усилитель б 1 для предварительного усиления по напряжению.Возможно относительное переполнение одного из счетчиков импульсами частот , илцпри большиили длительнырассогласованияв системе. Если при этом разность импульсов частот Р, и Р, превысит половину емкости триггерного счетчика, со старшего разряда переполненного счетчика проследуют один за другим два импульса, что без схемы защиты может привести к изменению фазы выходного импульсного напряжения триггера 53 на 180 и, как следствие, к реверсу исполнительного устройства системы, в которой работает данный модулятор.Схема защиты работает в этом случае следующим образом. Если, например, перепол. нение счетчика произошло по цепи задания. т. е. Р,Р, то первым выходным импульсом со старшего разряда переполненного счетчика единица в реверсивном регистре продвигается из ячейки 48 в ячейку 49, а вторым - из ячейки 49 в ячейку 50, так как выходные импульсы стробирующих ячеек 38 и 49 разрешают продвижение единицы в реверсивном регистре из ячейки 49 только в ячейку 50. Далее сема действует аналогично ранее рассмотренному, но единица в реверсивном регистре передается уже между ячейками 49 и 50 или между 48 и 47, если переполнение произошло за счет Р.)РьСледовательно, в этом случае состояние управляющего триггера 53 не изменяется, а триггер управления 54 периодически изменяет свое состояние под воздействием выходцыимпульсов со старширазрядов трцггерцых счетчиков.Особенность работы схемы в данном режиме заключается в том, что уровень квантования выходного импульсного напряжения триггера 54 по амплитуде задан несколько больше уровня квантования триггера 54 (за счет изменения коллекторного напряжения питания триггеров 52 и 54), что позволяет реализовать зону 11 на выходной характеристике модулятора (фиг, 2). Более высокий уровень квантования выходного импульсного напряжения по амплитуде ЛУ позволяет ускорить действие исполнительного устройства системы, в которой работает модулятор, и быстро ликвидировать возникшее рассогласование, Для этого цеободимо, чтобы со старшего разряда счетчика цепи обратной связи поступили один за другим два импульса, Сема возвращается к нормальному режиму работы в предела зоны 1 выодной арактеристики.Возможен случай, когда работа в пределах зоны 11 не может ликвидировать рассо 305577гласование и режим, при котором сохраняется длительное время. В этом случае если переполнение происходит по цепи частоты задания ь триьчерный счетчик цепи задания систематически переполняется, и единица в реверсивном регистре передвигается от ячейки 48 к ячейкам 49 - 51, В момент передачи единицы от ячейки 50 к ячейке 51 изменяется состояние триггера 56 и, как следствие, снимается разрешающий потенциал со входа схемы И 57, которая запрещает прохождение импульсов ч астоты на вход схемы синхронизации. Состояние управляющих триггеров 53 и 54 остается неизменным, и на вход суммирующего усилителя подается добавочный потенциал с выхода триггера защиты 56, что приводит к еще большему возрастаьппо напряжения на выходе усилителя 61 (зона Ш на выходной характеристике) . Это способствует еще большему форсированию работы исполнительного устройства системы и быстрому возвращению ее к нормальному режиму.Блок управления и защиты обладает динамической памятью. Это его свонство проявляется в том, что он вместе с триггерными счетчиками запоминает разность числа импульсов задания и обратной связи в пределах емкости своей динамической памяти, которая определяется формулой:Я.= -- 2" (т - 2),2где т - число ячеек реверсивного регистра.Это позволяет простыми техническими средствами получить выходную характеристику цифрового широтно-импульсного модулятора с ограничением по максимуму,Возвращение схемы модулятора в нормальный режим работы происходит автоматически, так как переполняется счетчик в цепи обратной связи, и единица в реверсив ном регистре передается между ячейками 48и 49, Процесс защиты повторяется, пока не будут устранены причины рассогласования.В схеме удобно предусмотреть сигнализацию для режима защиты путем подключени 10 триггеров защиты 55 и 56 к сигнальным лампам через усилители.Получение выходной характеристики модулятора с переменным уровнем квантования по амплитуде и зоной ограничения позволяет 15 без существенного усложнения схемы значительно расшириа ь возможности настройки регулятора с данным модулятором и получить процесс регулирования, близкий к оптимальному.Предмет изобрет" ннЦифровой широтно-импульсный модулятор, содержащий генератор тактовых нм.пульсов, кольцевой регистр сдвига, блоки 25 синхронизации, триггерные счетчики, блокуправления и защиты, содержащий стробнрующне ячейки, регистры сдвига, управляющие триггеры и триггеры защиты, а также схемы И, аналого-цифровые нреобразоьа тели и суммирующий усилитель, отличаюиаася тем, что, с целью повышения точно.сти его работы, выходы старших разрядов сче гчпков через стробирующие ячейки подключены ко входу кольцевого и реверсивноЗ 5 го регистров, выходы которых подключеныко входам трех управляющих триггеров и двух триггеров защиты, выходы которых соединены со входом суммирующего усилителя.305577 актор Б, Б. федотов Техред Т, П. Курилко Кооректор Л. А, Царькова р. Сапунова,ипографи Заказ 1967/15 Изд.852 Тираж 473 ПодписноеЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССнМосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5