широтно-импульсный модулятор
Классы МПК: | H03K7/08 модуляция по длительности или широтно-импульсная модуляция (ДИМ или ШИМ) |
Автор(ы): | Сафьянников Н.М., Муравник Д.Л. |
Патентообладатель(и): | Сафьянников Николай Михайлович |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-05-25 публикация патента:
20.07.2001 |
Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) относится к электрическим схемам время-импульсных преобразователей и может применяться при построении смешанно-сигнальных измерительных приборов и вычислительных устройств (У). ШИМ, в цепи обратной связи которого осуществляется демодуляция выходного ШИМ-сигнала с разделением во времени этапов процесса преобразования, благодаря чему исключается погрешность, обусловленная фактическими значениями пассивных компонентов, входящих в состав У, содержит генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ) (1), источник опорного напряжения (ИОН) (2), компаратор (3), первый ключ (К) (4), интегратор (5), устройство выборки-хранения (УВХ) (6), распределитель импульсов (РИ) (7), второй К (8) и цифровой накапливающий формирователь ШИМ-сигнала (ЦНФ) (9). Выход первого К (4) соединен с входом интегратора (5), выход которого соединен с информационным входом УВХ (6), выход ИОН (2) соединен с информационным входом первого К (4). Выход УВХ (6) объединен с информационным входом второго К (8) и инвертирующим входом компаратора (3), неинвертирующий вход которого является входом ШИМ. Выход компаратора (3) соединен с информационным входом ЦНФ (9), выход которого является выходом ШИМ и объединен с входом синхронизации РИ (7), три выхода которого подключены к управляющим входам соответственно первого К (4), второго К (8) и УВХ (6). Выходы К (4) и (8) объединены, а выход ГСИ (1) соединен с входом синхронизации ЦНФ (9). Технический результат - повышение точности работы при одновременном упрощении устройства. 4 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
Широтно-импульсный модулятор, содержащий генератор синхронизирующих импульсов, источник опорного напряжения, компаратор, первый ключ, интегратор, устройство выборки-хранения, причем выход первого ключа соединен с входом интегратора, выход которого соединен с информационным входом устройства выборки-хранения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены распределитель импульсов, второй ключ и цифровой накапливающий формирователь широтно-импульсного модулированного (ШИМ) сигнала, причем выход источника опорного напряжения соединен с информационным входом первого ключа, выход устройства выборки-хранения объединен с информационным входом второго ключа и инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого является входом широтно-импульсного модулятора, а выход соединен с информационным входом цифрового накапливающего формирователя ШИМ-сигнала, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора и объединен с входом синхронизации распределителя импульсов, первый, второй и третий выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа, второго ключа и устройства выборки-хранения, выходы первого и второго ключей объединены, а выход генератора синхронизирующих импульсов соединен с входом синхронизации цифрового накапливающего формирователя ШИМ-сигнала.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электрическим схемам широтно-импульсных модуляторов и может применяться при построении смешанно-сигнальных измерительных приборов и вычислительных устройств. Существует большое количество широтно-импульсных модуляторов, обобщенная схема которых описана в [1, с. 137-139]. Недостатком всех подобных устройств, выполненных по развертывающей схеме, является наличие в составе или требование внешнего генератора развертывающего сигнала, от параметров которого в значительной мере зависит точность преобразователя. По более эффективной, с точки зрения точности и помехоустойчивости, следящей схеме реализовано устройство [2, с. 51]. Оно может быть использовано для широтно-импульсной модуляции совместно с генератором широтно-импульсной модулированной (ШИМ)-последовательности на основе двоичного кода. Его недостатком является низкая точность, обусловленная применением резистивного цифроаналогового преобразователя, не обеспечивающего при малой разрядности высокого разрешения, а при большой разрядности - высокой точности и линейности. Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является решение, описанное в [3]. Рассмотренный широтно-импульсный модулятор и выбран в качестве прототипа. Прототип имеет более высокую точность по сравнению с устройством [1] вследствие того, что он выполнен как устройство следящего типа и не нуждается в генераторе развертывающего сигнала. Кроме того, в обратной связи этого устройства отсутствует резистивный цифроаналоговый преобразователь, не позволяющий обеспечить высокую точность, как в устройстве [2] . В состав прототипа входят генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ), источник опорного напряжения (ИОН), компаратор, ключ, первый алгебраический сумматор и умножитель, причем выход ключа подключен к информационному входу первого интегратора, выход которого соединен с информационным входом УВХ, входной сигнал попадает на информационный вход второго интегратора, выход которого соединен со вторым входом компаратора, выход ИОН подключен к информационному входу третьего интегратора, чей выход соединен с первым входом умножителя, первый вход компаратора соединен с выходом умножителя, а выход - с информационным входом ключа, выход которого является выходом устройства, выход первого интегратора соединен с первым входом алгебраического сумматора, второй вход которого соединен с выходом УВХ, а выход подключен к второму входу умножителя, выход ГСИ подключен к управляющим входам первого, второго и третьего интеграторов, а также ключа и УВХ. Прототип осуществляет преобразование входного напряжения в ШИМ-сигнал по линейному закону. Недостатком прототипа является низкая точность, так как, по условию преобразования, постоянные времени всех трех интеграторов должны совпадать и быть равными периоду синхронизирующих импульсов на выходе ГСИ. Обеспечение этого условия представляет значительную трудность, и в результате преобразования будет содержаться погрешность, обусловленная фактическими значениями параметров пассивных компонентов, входящих в состав интеграторов. Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности работы широтно-импульсного модулятора с одновременным упрощением устройства. Задачей предлагаемого изобретения является создание широтно-импульсного модулятора, в цепи обратной связи которого осуществляется демодуляция выходного ШИМ-сигнала с разделением во времени этапов процесса преобразования. Благодаря этому исключается погрешность, обусловленная фактическими значениями пассивных компонентов, входящих в состав устройства. Поставленная задача решается путем создания устройства, содержащего ГСИ, ИОН, компаратор, первый ключ, интегратор, УВХ, распределитель импульсов (РИ), второй ключ и цифровой накапливающий формирователь ШИМ-сигнала (ЦНФ), причем выход первого ключа соединен со входом интегратора, выход которого соединен с информационным входом УВХ, выход ИОН соединен с информационным входом первого ключа, выход УВХ объединен с информационным входом второго ключа и инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого является входом широтно-импульсного модулятора, а выход соединен с информационным входом ЦНФ, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора и объединен со входом синхронизации РИ, первый, второй и третий выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа, второго ключа и УВХ, выходы первого и второго ключей объединены, а выход ГСИ соединен со входом синхронизации ЦНФ. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемого изобретения, на фиг. 2 - временные диаграммы его работы, а на фиг. 3 и 4 - возможные варианты реализации соответственно ЦНФ и РИ. Широтно-импульсный модулятор содержит ГСИ 1, ИОН 2, компаратор 3, первый ключ 4, интегратор 5, УВХ 6, РИ 7, второй ключ 8 и ЦНФ 9, причем выход первого ключа 4 соединен со входом интегратора 5, выход которого соединен с информационным входом УВХ 6, выход ИОН 2 соединен с информационным входом первого ключа 4, выход УВХ 6 объединен с информационным входом второго ключа 8 и инвертирующим входом компаратора 3, неинвертирующий вход которого является входом устройства, а выход соединен с информационным входом ЦНФ 9, выход которого является выходом устройства и объединен с входом синхронизации РИ 7, три выхода которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа 4, второго ключа 8 и УВХ 6, выходы первого 4 и второго 8 ключей объединены, а выход ГСИ 1 соединен со входом синхронизации ЦНФ 9. Модулятор осуществляет следящее преобразование входного сигнала, представленного в форме напряжения, в широтно-импульсный сигнал с постоянным периодом и переменной длительностью импульса. Выходной величиной является относительная длительность импульса ШИМ-сигнала![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
где
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171011/2171011-2t.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171011/2171011-3t.gif)
где
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
U(6)k-1 - напряжение на выходе УВХ 6 в предыдущем, (k-1)-м цикле. Так как U(6)k-1 и Uоп, очевидно, являются константами для цикла k, выражение (1) может быть преобразовано:
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171011/2171011-4t.gif)
Для установившегося режима, когда
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171011/2171011-5t.gif)
откуда
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171011/2171011-6t.gif)
или
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171011/2171011-7t.gif)
что равносильно
U(6)k =
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
где коэффициент обратной связи H = -Uоп, a
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171008/916.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171011/2171011-8t.gif)
Отметим, что второй ключ 8 замыкает цепь обратной связи интегратора 5 на время, равное длительности одного такта. Следовательно, время выборки УВХ 6 может также достигать величины периода ШИМ-сигнала tвыб=Т. Таким образом, напряжение, прямо пропорциональное
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171008/916.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171011/2171011-9t.gif)
где S есть величина зоны нечувствительности компаратора 3 по напряжению. Последнее условие начинает выполняться в некоторый момент времени tr (см. фиг. 2), когда разность между напряжениями на входе компаратора 3 входит в зону нечувствительности компаратора и выходная величина перестает возрастать. При этом длительность импульса выходного ШИМ-сигнала характеризуется числом Nr и имеет относительную длительность
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
В установившемся режиме
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171008/916.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171007/920.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171008/8776.gif)
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171011/2171011-10t.gif)
причем Uоп должно быть противоположно U по знаку. Из выражений (3) и (4) видно, что коэффициент передачи модулятора в принципе не зависит от значения постоянной времени интегратора
![широтно-импульсный модулятор, патент № 2171011](/images/patents/300/2171010/964.gif)
1. Смолов В.Б., Угрюмов Е.П., Артамонов А.Б. и др. Времяимпульсные вычислительные устройства./ Под ред. В.Б. Смолова, Е.П. Угрюмова. - М.: Радио и связь, 1983. 2. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. 3. А. С. СССР N 1619391, МКИ5 H 03 K 7/08, опубл. 07.01.1991. Бюл. N 1 (прототип).
Класс H03K7/08 модуляция по длительности или широтно-импульсная модуляция (ДИМ или ШИМ)