Способ широтно-импульсного преобразования напряжения и широтно-импульсный модулятор

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматического управления , в стабилизаторах и преобразователях напряжения. Цель изобретения - расширение динамического диапазона преобразователя достигается путем уменьшения минимальной длительности выходного импульса. Способ предусматривает использование в качестве опорного сигнала ограниченной по величине суммы сигналов, пропорциональных инвертированному инвертирующему входному и эталонным напряжениям , и дополнительное введение в широтно-импульсный модулятор двухполярного ограничителя напряжения, подключенного к входу операционного усилителя , и инвертирующего усилителя,Это позволяет уменьшить минимальную длительность импульса выходного напряжения и обеспечивает расширение динамического диапазона преобразования входного напряжения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК. (19) (И) (5Р 4 Н 03 К 7/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4010398/24-21 (22) 13.01.86 (46) 23.12.87,Бюл. М 47 (71) Ворошиловградский филиал Государственного проектно-конструкторского и научно-исследовательского института по автоматизации угольной промышленности (72) В.А,Серокуров, В,П.Сисев и В.Н.Чернявский (53) 621.374.3 (088.8) (56) Мартяшин А.И. и др. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М.: Э,, 1976, с. 56-57.

Рудковски Дж. Интегральные операционные усилители. М.: Мир, 1978, с.296, фиг.2. (54 ) CI1OCOB lllHPOTHO-HMII7JIbCHOI O IIPEОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ШИРОТНО-ИИПУЛЬСНЬЙ МОДУЛЯТОР (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматического управления, в стабилизаторах и преобразователях напряжения. Цель изобретения — расширение динамического диапазона преобразователя достигается путем уменьшения минимальной длительности выходного импульса. Способ предусматривает использование в качестве опорного. сигнала ограниченной по величине суммы сигналов, пропорциональных инвертированному инвертирующему входному и эталонным напряжениям, и дополнительное введение в ши, ротно-импульсный модулятор двухполярного ограничителя напряжения, подключенного к входу операционного усилителя, и инвертирующего усилителя,Это позволяет уменьшить минимальную длительность импульса выходного напряжения и обеспечивает расширение динамического диапазона преобразования входного напряжения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. I

1361709 2

Изобретение относится к импульс- вым входом сумматора 12, выход котоной технике и может быть использо- рого через блок 13 ограничения напрявано в системах автоматического уп- жения соединен с вторым выходом блоравления в стабилизаторах и преобра- ка 10 изменения полярности вход ко5

У зователях напряжения. торого соединен через (делитель умЦель изобретения — расширение ножитель) 9 напряжения с выходом динамического диапазона преобразова- задатчика 1 входного напряжения, ния за счет уменьшения минимальной Широтно-импульсный модулятор со длительности выходного импульса. держит операционный усилитель 14,реНа фиг. 1 приведена блок-схема зисторы 15 — 19, двухполярный ограустройства, иллюстрирующего способ ничитель 20, конденсатор 21, входную широтно-импульсного преобразования; 22 и выходную 23 шины, двухполярный на фиг . 2 — диаграмма, поя сияющая ограничитель 24, инвертирующий усипринцип действия устройства, на 15 литель 25, причем к инвертирующему фиг.. 3 - принципиальная схема ши входу операционного усилителя 14 подротно-импульсного модулятора, ключены первые выводы резисторов 15

Способ широтно-импульсного ðeî6 и 17 и через конденсатор 21 общая разования включает суммирование сиг шина, к неинвертирующему входу — перналов, пропорциональных входному и 2р вые выводы резисторов 16 и 18 и эталонному напряжениям, интегрирова- через двухполярный ограничитель 24 I ние суммарного сигнала, сравнение напряжения общая шина, а к выходупроинтегрированного напРЯжениЯ с выходная шина 23 и первый вывод реопоРным, изменение полЯРности эталон- зистора 19 второй вывод которого ного сигнала в моменты изменения зна- 25 соединен с вторыми выводами резистока результата сравнения, формирова- ров 17 и 18 и через двухполярный ние в эти же моменты переднего или ограничитель 20 напряжения с общей заднего фронта выходного импульса и шиной, при этом входная шина 22 соеформирование опорного сигнала, для динена с вторым выводом резистора. 15

sего Дополнительно суммируют сигналыэ ЗО и входом инвертирующего усилителя пРопорциональные эталонному и прони- 25, выход которого соединеЯ с вторым вертированному вхоДному напРЯжениЯм, выводом резистора 1 и ограничивают сУммаРный сиГнал,при- Устройство, иллюстрирующее способ чем УРовень огРаничениЯ выбиРают меж- широтно-импульсного преобразования дУ максимальным и минймальным РезУль- 3 напряжения работает следующим обра35

1 татами суммирования при однополярном эталонном напряжении, Устройство, иллюстрирующее способ ши отно-имп льсного преобразования порциональный входному сигналу,сумминапРЯжениЯ, содеРжит задатчик 1 вход- 40 Руется с сиги ом К Е (с делитеного напряжения, делители (умножите2 ля 3), пропорциональным по величине изменяющемуся по знаку эталонному ли 2 и 3 напряжения сумматор 4 интегратор 5 элемент 6 сравнения,реЭ сигналу, лейный элемент 7, задатчик 8 эталонUЕ =KU +K2Z

ex— ного напряжения, делитель (умножи- 45 ! тель) 9, блок 10 изменения полярнос- Суммарный сигнал интегрируется ти сигнала, делитель (умножитель) (в блоке 5) по времени, причем время

ll сумматор 12, блок 13 ограничения интегрирования определяется моментом напряжения, при этом соединены после- совпадения результата интегрирования довательно задатчик 1 входного нап- 5р с опорным сигналом ряжения, делитель (умножитель) 2

ti напряжения, сумматор 4, интегратор Ug U0ïí K ) (KiUex

5, элемент 6 сравнения и релейный при = i ii опь t элемент 7, второй вход которого соединен с выходом эадатчика 8 эталонно- 55 где Б - сигнал с выхода блока 5 го напряжения, а выход - с входами интегрирования; делителей (умножителей) 3 и 11, вьг- Бпп„,U „ — соответственно нижний и ходы которых соединены соответствен- верхний уровни опорного .но с вторым входом сумматора 4 и пер- напряжения;

3 13617

K — коэффициент передачи бло5 ка 5 интегрирования; — время прямого интегриро1

1.1апч до 1аа в

5 или длительность выходногоо импул ь с а.

Для фиксации момента совпадения результата интегрирования с опорным сигналом два сигнала сравниваются 1р в элементе 6 сравнения и при изменении знака рассогласования между ними релейный элемент 7 изменяет полярность эталонного сигнала, задаваемого задатчиком 8. 15

После перемены знака одного из слагаемых, поступающих на входы сумматора 4, сигнал с выхода блока 5 интегрирования будет уменьшаться, так как в этом случае интегрирова- 20 нию будет подвергаться отрицательный сигнал

1х при С = 1 Бs Цапн х 25

U0ãp-.. (K K4)E (K4 K )E для нижнего U p„ = (К -К )E — -(К +

+ К )Е.

Для исключения генерации на краях диапазона изменения входного напряжения (и с условием его полного использования) необходимо выполнить условие (К4 — К ) = (K — К, )Е, т ° e ° выполнить условие .совпадения результатов первого и второго суммирования сигналов, при граничных значениях входного напряжения. Приведенное равенство может являться условием для выбора коэффициентов передачи К<, К<»и К4 д ителей 233,9 и 11 напряжения. Хаким образом, пределы изменения опорного напряжения определяются параллелограммом АВСДА (фиг.2), причем на краях диапазона изменения входного напряжения разность между верхним и нижним уровнями опорного напряже- .. ния, определяющая минимальные длительности импульсов и паузы, уменьшается вплоть до нуля. Это обстоятельство и позволяет существенно расширить диапазон регулирования длительности импульса выходного напряжения за счет уменьшения его минимальной длительности.

l где U — сигнал с выхода блока 5

h а интегрирования; время обратного интегрироваа ния От о до 1.1ап„или длительность паузы. 30

Для формирования опорного сигнаЛа сигнал К U (с выхода делителя 9), вх пропорциональный выходному сигналу, инвертируют по знаку (в блоке 10 изменения полярности, сигнала) и сумми- 35 руют его (в сумматоре 12) с сигналом

К К (с выхода делителя 11), пропорциональным эталонному сигналу, Широтно-импульсный модулятор работает следующим образом.

Операционный усилитель 14 совместно с резисторами 17 и 18 образует двухуровневый компаратор, который при совпадении величин напряжений, подаваемых на его инвертирующий и неинвертирующий входы, переключается из одного устойчивого состояния в другое.

Таким образом, компаратор на операционйом усилителе 14 выполняет одновременно функции элемента сравнения двух напряжений и релейного элеЪ К овх — + К4Е.

Е Ъ ВХ 4

Таким образом, без ограничения верхний и нижний уровни опорного нап ряжения (уровни переключения релейного элемента 7) соответственно равны 45

Следовательно, при преобразовании

50 входного сигнала осуществляется прямая отрицательная связь по входному сигналу, действие которой приводит к повороту вокруг центра осей координат на угол М = arctg1< уровней пез

55 реключения (фиг. 2 ) .

Для обеспечения минимальной дли-. тельности импульса напряжения (при

+ U„„) результат второго суммирова09

4 ния (с выхода сумматора 12) ограничивают сверху н снизу по величине. Уровни (верхний и нижний) ограничения принимаются в общем случае произвольно, но каждый из них должен находиться в диапазоне между максимальным и минимальным результатами суммирования указанных сигналов при однополярном эталонном напряжении, т,е. между гра-, ничными значениями верхнего и соответственно нижнего уровней переключений, Для верхнего уровня ограничений при достижении которого полярность эталонного напряжения изменяется на отрицательную. Это приводит к снижению уровня опорного напряжения (будет задаваться нижний уровень) и напряжение на конденсаторе 21 уменьшается от верхнего до нижнего уров15 ня опорного напряжения ю,„+ (U(o) + ае— (1) U(÷ (Ñ) = + +&E + сц „) е

5 1361 мента, изменяющего полярность выходного напряжения.

Первым напряжением, подаваемым на инвертирующий вход операционного усилителя, является изменяющееся во времени напряжение на инвертирующем конденсаторе 21. Оно определяется величинами и полярностью входного напряжения и эталонного напряжения и. полярностью с двухполярного ограничителя 20 и равно

709

6 растает от нижнего уровня опорного напряжения до верхнего уровня

Ц)(t) = aE+ М„+ (и(,i„- аЕ где E - величина эталонного напряжения с двухполярного ограничителя 20;

U Ä вЂ” величина входного напряжения модулятора;

U(o) — величина начального напряжения на конденсаторе 21 (величина нижнего или верхнего уровня опорного напряжения );

R2 Rs с - постоянная времени;

1 2 1 4

R а = — —- 2+114

Ф с = — — --; a+c-=l, 2+11 (Другим напряжением, подаваемым на инвертирующий вход операционного усилителя 14, является опорное напряжение, которое также зависит от параметров входного и эталонного напряжения и равно. при + U

= bE-kdU — верхний (Ф) Ь вх уровень; (2) (+9Н огР уровень;

+U †.верхний уро(+) в огр вень; при

Рх

= -bE-kdU — нижний уро(+) H вх . вень, где 3 - величина напряжения, задаваемая двухполярным ограничителем 24; — коэффициент передачи инвертирующего усилителя 25; а = — — — -; Ь+а=1.

R 9+R9

b °

3+ У

В соответствии с этим и величина напряжения на конденсаторе 21 при положительном эталонном сигнале возг

U, (.) = +bu» + fu<„. +

Циклы заряда - разряда конденса* тора 21 непрерывно повторяются, в результате чего происходит генерация знакочередующихся импульсов. Длительность импульсов и интервал между ними определяется временем заряда и разряда конденсатора 21, которое зависит от величины и знака входного напряжения, а также от уровней опорного напряжения, один из которых

30 ограничен по величине.

Из выражений (4) и (5) с учетом (2) длительности импульса и паузы соответственно равны

35 С „1п огр вх

" 7а:Ь7+7с+1 JU."", (а+Ъ)-(c+kd)V,„

t i lI1 ю &13 — cU

arp вх

40 + . Ua<(. " овх где U = — — - U = - — - напряогр Е 9 Sx жение ограничения и входное напряже ние в относительных единицах, Для частного случая U z О, ког45 да ограничение не действует и уровни опорного напряжения равны U«> = bE;

У(= -bE, длительности импульса и паузы равны (относительная продолжительность включения = 0,5) и сред;

g0 ний период колебаний составляет

a+b

Тср = 2 1п

a-b

Для конкретного частного случая, когда а = 0,6, с = 0,4, Ъ = 0,2, kd = 0,3, U«0,2, отношение минимальной длительности импульса к среднему периоду со ст авля ет

l361709 ин» 0 063 i 0,25 мин

Ч . а при (kd — b) = U« t = О, т.е. начальная длительносСть импульса мо- 5 жет задаваться с нуля.

Форму передаточной характеристики широтно-импульсного модулятора можно существенно изменять, если

10 ввести не симметричные, а разные по величине уровни верхнего и нижнего ограничения и обеспечить тем самым оптимальную регулировочную характеристику широтно-импульсного модуля15 тора для управления объектом.

Таким образом, использование в способе широтно импульсного преобразования напряжения- в качестве опорного сигнала ограниченной по величи20 не суммы сигналов, пропорциональных инвертирующему входному и эталонному напряжениям, а также дополнительное введение в широтно-импульсный модулятор двухполярного ограничителя напряжения, подключенного к инвертирующему входу операционного усилителя, и инвертирующего усилителя, включенного между входной шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя, позволяют уменьшить минимальную длительность импульса выходного напряжения и тем самым обеспечивают расширение динамического диапазона преобразования входного напряжения.

Формула изобретения

1. Способ широтно-импульсного преобразования напряжения, включающий суммирование сигналов, пропорциональных входному и эталонному напряжени- 40 ям, интегрирование суммарного сигнала, сравнение проинтегрированного напряжения с опорным сигналом, изме нение полярности эталонного сигнала

1 в моменты изменения знака результата сравнения и формирование в эти же моменты переднего или заднего фронта выходного импульса, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона эа счет уменьшения минимальной длительности выходного импульса, опорный сигнал формируют путем суммирования сигналов, пропорциональных эталонному,.н проинвертированному входному напряжениям, и ограничения суммарного сигнала, причем уровень ограничения выбирают Между максимальным и минимальным результатами суммирования при однополярном эталонном напряжении.

2. Широтно-импульсный модулятор, содержащий операционный усилитель, к инвертирующему входу которого подключены первые выводы первого и второго резисторов и через конденсатор общая шина, к неинвертирующему входу - первые выводы третьего и четверо того резисторов, к выходу — выходная шина и первый вывод пятого резистора, второй вывод которого соединен с вторыми выводами второго и четвертого резисторов и через двухполярный ограничитель напряжения с общей шиной, а второй вывод первого резистора соединен с входной шиной, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона sa счет уменьшения минимальной длительности выходного импульса, в него дополнительно введены второй двухполярный ограничитель напряжения и инвертирующий усилитель, включенный между входной шиной и вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого через второй двухполярный ограничитель напряжения соединен с общей шиной.

1361709

1361709

Составитель E.Áoðçîâ

Техред М.Дидык Корректор М.Шароши

: Редактор П.Гереши

Заказ Ь303/56 Тираж 900 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений g открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфкческое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4