Способ многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к импульсной технике. Способ заключается в формировании пилообразного сигнала, сравнении входного аналогового сигнала с граничными значениями пилообразного сигнала, сравнении информационного сигнала с пилообразным сигналом, формировании по результату сравнения выходных широтно-модулированных импульсных последовательностей. Для повышения линейности преобразования дополнительно формируют информационный сигнал путем многократного последовательного уменьшения или увеличения входного аналогового сигнала на величину, равную размаху пилообразного сигнала. При превышении или снижении входного аналогового сигнала соответственно выше верхнего или ниже нижнего граничного значения пилообразного сигнала изменяют фазу пилообразного сигнала на 180° в моменты снижения или увеличения входного аналогового сигнала. При этом передние и задние фронты выходных импульсных последовательностей формируют последовательно соответственно по результатам сравнения входного аналогового сигнала с возрастающими и убывающими лучами пилообразного сигнала. Устройство для многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала содержит генератор тактовых импульсов, счетчик, генератор пилообразного сигнала, компаратор, дешифратор, преобразователь аналогового сигнала. 2 с.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных преобразователях напряжения, ключевых усилителях низкой частоты и модуляторах радиопередающих устройств средств радиовещания и радиосвязи.

Известен способ однотактной двусторонней широтно-импульсной модуляции (ШИМ), заключающийся в том, что формируют два пилообразных напряжения двуполярных и симметричных относительно нулевого уровня, сравнивают входной сигнал с первым пилообразным напряжением, вершины которого совпадают по времени с синхронизирующими импульсами, в результате сравнения формируют первое ступенчатое напряжение, вертикальные скачки которого производят в момент равенства входного сигнала первому пилообразному напряжению, затем формируют второе ступенчатое напряжение, вертикальные скачки которого происходят в моменты синхронизирующих импульсов, а уровни горизонтальных частей ступенчатого напряжения устанавливают равными уровням первого ступенчатого напряжения в моменты начала горизонтальных частей, второй ступенчатое напряжение сравнивают с вторым пилообразным напряжением, противоположным первому пилообразному напряжению и имеющим амплитуду, уменьшенную на определенный коэффициент, формирование фронтов выходного импульсного сигнала производят в моменты равенства второго ступенчатого напряжения второму пилообразному напряжению [1].

Недостатком аналога является одноканальность преобразователя и, следовательно, большой уровень побочных продуктов преобразования ШИМ в выходном колебании.

Указанный недостаток устраняется в способе многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала, включающем формирование опорного сигнала, сравнение информационного сигнала с опорным сигналом, формирование по результату сравнения N выходных широтно-модулированных импульсных последовательностей, сравнение входного аналогового сигнала с граничными значениями опорного сигнала [2].

Использование способа многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала позволяет при сложении N выходных импульсных последовательностей в одной нагрузке в N раз увеличить уровень полезного сигнала и существенно снизить уровень продуктов преобразования ШИМ. В книге Попова И. А. "Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме", М,: Радио и связь, 1985, с.166 показано, что многоканальная ШИМ с точностью до 10% имеет в N раз большую степень подавления продуктов преобразования, чем одноканальная ШИМ.

Достигается это формированием опорного сигнала в виде суммы пилообразного сигнала и постоянного сигнала, отличающегося от размаха пилообразного сигнала в n раз, где n - отношение значения входного сигнала к размаху пилообразного сигнала, сравнением входного сигнала с опорным сигналом, формированием по результату сравнения широтно-модулированного сигнала, формированием N выходных импульсных последовательностей, у которых передние фронты формируются последовательно по передним фронтам импульсов широтно-модулированного сигнала, а задние фронты - через n импульсов широтно-модулированного сигнала по задним фронтам.

Недостаток прототипа заключается в том, что при переходе входного сигнала из одной зоны в другую, когда происходит изменение n в сторону увеличения или уменьшения на единицу, происходит скачок фазы выходных импульсных последовательностей, что приводит к нелинейности преобразования входного сигнала в каждом канале и неравномерности сдвига фаз каналов, а следовательно, к неполному подавлению продуктов преобразования ШИМ при сложении выходных импульсных последовательностей в одной нагрузке.

Целью способа является повышение линейности преобразования входного аналогового сигнала в каждом канале за счет устранения скачка фазы и создания равномерного сдвига фаз между каналами во всем динамическом диапазоне изменения напряжения входного аналогового сигнала.

Цель достигается тем, что в способе многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала, заключающемся в формировании опорного сигнала, сравнении информационного сигнала с опорным сигналом, формировании по результату сравнения N выходных широтно-модулированных импульсных последовательностей, сравнении входного аналогового сигнала с граничными значениями опорного сигнала, входной аналоговый сигнал многократно последовательно обнижают на постоянное значение, равное размаху пилообразного сигнала всякий раз при превышении входным аналоговым сигналом верхнего граничного значения пилообразного сигнала, а при снижении входного аналогового сигнала ниже нижнего граничного значения пилообразного сигнала входной аналоговый сигнал увеличивают на постоянное значение, равное размаху пилообразного сигнала, преобразованный входной аналоговый сигнал и пилообразный сигнал используют соответственно в качестве информационного и опорного сигналов при сравнении, изменяют фазу опорного сигнала на 180^о каждый раз при обнижении или увеличении входного аналогового сигнала, при этом передние и задние фронты выходных импульсных последовательностей формируют последовательно 1, 2, 3. . . N, 1, 2, 3...N соответственно по результату сравнения входного аналогового сигнала с возрастающими и убывающими лучами опорного сигнала.

Суть предложенного способа заключается в том, что при переходе входного аналогового сигнала из одной зоны в другую не происходит скачка фаз выходных импульсных последовательностей. Достигается это за счет поворота на 180^о опорного сигнала при превышении входным аналоговым сигналом верхнего граничного значения пилообразного сигнала и при снижении входного аналогового сигнала ниже нижнего граничного значения пилообразного сигнала.

Известно устройство многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала, содержащее генератор тактовых импульсов и генератор пилообразного сигнала, а также соединенные последовательно компаратор и дешифратор, выход которого является выходом устройства [2].

Это устройство, взятое в качестве прототипа, обладает недостатком, который заключается в повышенном уровне нелинейных продуктов преобразования, образующихся за счет скачка фаз выходных импульсных последовательностей при переходе входного сигнала из одной зоны в другую.

Целью изобретения является повышение линейности преобразования и равномерности сдвига фаз выходных импульсных последовательностей.

Для достижения цели в устройство многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала, содержащее генератор тактовых импульсов и генератор пилообразного сигнала, а также соединенные последовательно компаратор и дешифратор, выход которого является выходом устройства, дополнительно вводят счетчик, подключенный счетным входом к выходу генератора тактовых импульсов, первым кодовым выходом - к первому кодовому входу генератора пилообразного сигнала и вторым кодовым выходом - к второму входу дешифратора, а также преобразователь аналогового сигнала, у которого вход является входом устройства, первый кодовый выход подключен к третьему кодовому входу дешифратора, второй кодовый выход - к первому кодовому входу компаратора, третий выход - к второму входу генератора пилообразного сигнала, соединенного выходом с вторым входом компаратора.

Суть заявляемого устройства заключается в сравнении входного аналогового сигнала в зависимости от зоны, в которой этот сигнал находится с таким опорным сигналом, результат сравнения с которым полностью соответствует сравнению входного аналогового сигнала с "сеткой" равномерно сдвинутых пилообразных сигналов, имеющих размах, равный динамическому диапазону входного сигнала.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала.

На фиг.2 представлены диаграммы, поясняющие заявляемый способ широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала с равномерным сдвигом фаз для 4 каналов.

На фиг. 2а изображен входной аналоговый сигнал и четыре опорных (пилообразных) сигнала 1 - 4 с размахом, равным динамическому диапазону входного аналогового сигнала, и равномерным сдвигом фаз друг относительно друга на T/4 , где Т - период повторения пилообразного сигнала.

На фиг. 2б изображен опорный (пилообразный) сигнал и информационный - преобразованный входной аналоговый сигнал, переход которого из зоны в зону сопровождается уменьшением или увеличением его на размах пилообразного сигнала и изменением фазы опорного сигнала на 180^о.

На фиг.2в-е изображены выходные импульсные сигналы с широтно-импульсной модуляцией, сформированные по результату сравнения опорного сигнала и информационного сигнала (фиг.2б). При этом в моменты первого пересечения информационного сигнала с убывающим и возрастающим лучами опорного сигнала формируются соответственно передний и задний фронты первого канала (фиг. 2в), в моменты второго пересечения - передний и задний фронты второго канала (фиг.2г). В моменты третьего пересечения информационного сигнала с убывающим и возрастающим лучами опорного сигнала формируются соответственно передний и задний фронты третьего канала (фиг.2д). В моменты четвертого пересечения информационного сигнала с убывающим и возрастающим лучами опорного сигнала формируются соответственно передний и задний фронты четвертого канала (фиг.2е).

На фиг.3 изображен вариант выполнения дешифратора.

Изображенное на фиг. 1 устройство многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала содержит соединенные последовательно генератор 1 тактовых импульсов, счетчик 2, генератор 3 пилообразного сигнала, компаратор 4 и дешифратор 5, выход которого является выходом устройства, а второй вход соединен с вторым кодовым выходом счетчика 2, преобразователь 6 аналогового сигнала, вход которого является входом устройства, а первый, второй и третий выходы подключены соответственно к второму входу генератора 3 пилообразного сигнала, второму входу компаратора 4 и к третьему входу дешифратора 5.

Входящие в устройство элементы могут быть выполнены следующим образом.

Генератор 1 тактовых импульсов предназначен для формирования равномерной импульсной последовательности заданной скважности и может быть выполнен, например, по схеме мультивибратора.

Счетчик 2 может быть выполнен на логических ИМС типа 133ИЕ5. Второй кодовый выход счетчика содержит log(N+1) старших разрядов. Первый кодовый выход счетчика - это оставшиеся младшие разряды.

Старшие разряды определяют текущий номер пилообразного сигнала (см.фиг. 2а), а младшие разряды-дискретизацию пилообразного сигнала во времени, то есть в конечном счете значение пилообразного сигнала.

Генератор 3 пилообразного сигнала может быть выполнен на постоянном запоминающем устройстве ПЗУ типа 556РТ7, в котором записано два противофазных пилообразных сигнала. При этом второй вход - это один из разрядов (например, старший) адресной шины ПЗУ, на остальные разряды которой подана кодовая последовательность с выхода счетчика. С шины данных ПЗУ снимается кодовая последовательность, соответствующая одному из симметричных пилообразных сигналов со сдвигом фаз 180^о. Выбор того или иного опорного сигнала осуществляется потенциалом на втором входе генератора 3 пилообразного сигнала, то есть на старшем разряде адресной шины ПЗУ. Преобразователь 6 аналогового сигнала преобразовывает входной аналоговый сигнал в информационный сигнал (кодовую последовательность) и может быть выполнен на ИМС типа 1107ПВ2 (АЦП). При этом logN старших разрядов АЦП определяют номер зоны входного сигнала и являются третьим кодовым выходом, который соединяется с дешифратором 5. Остальные А разрядов образуют второй кодовый выход. Этот выход определяет значение сигнала внутри зоны, то есть это информационный сигнал (преобразованный входной аналоговый сигнал - обниженный или увеличенный на размах пилообразного сигнала относительно сигнала в предыдущей зоне).

logN-й разряд АЦП является третьим выходом преобразователя 6 аналогового сигнала из одной зоны в другую. По этому сигналу изменяется фаза опорного (пилообразного) сигнала. Компаратор 4 служит для сравнения двух кодовых последовательностей и выдает сигнал логического нуля или логической единицы, если один из сигналов соответственно больше или меньше другого. Компаратор 4 может быть выполнен на ИМС типа 533СП1 и триггере 533ТМ2.

Дешифратор 5 предназначен для формирования импульсных последовательностей по результату сравнения двух сигналов таким образом, что передние и задние фронты импульсов в последовательностях соответственно чередовались 1, 2, 3. ..N, 1, 2, 3...N. Дешифратор содержит ПЗУ и четыре триггера Т₁ - Т₄. Первый вход дешифратора 5 соединен с D-входами триггеров Т₁-Т₄. Второй вход дешифратора 5 соединен с разрядами А₂-А₄ адресной шины ПЗУ. Третий вход дешифратора 5 соединен с разрядами А₀, А₁, адресной шины ПЗУ. Кроме того, разряды А₅-А₁₀ и V₁адресной шины ПЗУ соединены и заземлены, а на разряды V₂, V₃ подан потенциал логической единицы. Выходы ПЗУ D₁ - D₄ соответственно соединены с С-входами триггеров Т₁ - Т₄, выходы которых являются выходами устройства. Если N - это число зон, равное числу пилообразных сигналов на фиг.2а, а за В и К принять текущие значения кода соответственно на третьих и вторых входах дешифратора, то значение кода D, снимаемого с шины данных ПЗУ, определяется таблицей.

Устройство работает следующим образом.

Входной аналоговый сигнал поступает на вход преобразователя 6 аналогового сигнала, где происходит дискретизация этого сигнала по времени и уровню. На выходе преобразователя 6 аналогового сигнала формируется двоичная кодовая последовательность заданной разрядности А, причем А > logN, где N - число зон и число импульсных выходов всего устройства.

В компараторе 4 происходит сравнение младших А-logN разрядов кодовой последовательности информационного сигнала, то есть значений сигнала внутри зоны с кодовой последовательностью опорного сигнала, у которого фаза изменяется на 180^о, когда входной аналоговый сигнал переходит из одной зоны в другую. При переходе из одной зоны в другую изменяется потенциал в logN-м разряде выходной кодовой последовательности преобразователя 6 аналогового сигнала, который подан на адресную шину ПЗУ генератора 3 пилообразного сигнала.

Сравнение опорного сигнала со значением входного аналогового сигнала внутри зоны позволяет сформировать N импульсных последовательностей с широтно-импульсной модуляцией (N каналов), равномерно сдвинутых друг относительно друга, и с линейным преобразованием входного сигнала в каждом канале. При этом передние фронты импульсных напряжений в каждом канале формируют в моменты пересечения входного аналогового сигнала с убывающими лучами опорного (пилообразного) сигнала, представленного на фиг.2б, а задние фронты - с возрастающими. Очевидно, что этот способ требует формирования одного изменяющегося по фазе на 180^о пилообразного сигнала каждый раз при переходе из одной зоны в другую. При этом внутри генератора 3 пилообразного сигнала можно формировать два инверсных пилообразных сигнала и коммутировать их на выход по управляющему сигналу, подаваемому на второй вход генератора 3 пилообразных сигналов. Это и делается в приведенном выше примере реализации генератора на ПЗУ.

На фиг. 2а обозначены зоны 0, 1, 2, 3. В пределах каждой зоны опорный сигнал представляет собой симметричный пилообразный сигнал с размахом и периодом повторения, в 4 раза меньшим каждого из четырех исходных пилообразных сигналов с размахом, равным размаху входного аналогового сигнала и с фазой, изменяющейся на 180^о при переходе из одной зоны в другую. Именно этот в n раз меньший пилообразный сигнал и формируется в генераторе 3 пилообразного сигнала.

Выходной сигнал с компаратора 4 (логические 0 или 1), соответствующий результату сравнения двух входных кодовых последовательностей, подается на первый вход дешифратора 5, то есть входы D выходных триггеров дешифратора 5, и переписывается на выход того триггера, номер которого соответствует номеру пилообразного сигнала, с которым пересекается входной аналоговый сигнал в случае его сравнения с сеткой опорных (пилообразных) сигналов уровнем, равным динамическому диапазону изменения входного аналогового сигнала (фиг.2а).

Для того, чтобы информация с компаратора 4 записывать в нужный триггер, соответствующий установленной очередности фронтов, в ПЗУ дешифратора 5 должно происходить преобразование текущего номера или полупериода опорного (пилообразного) сигнала (формируемого в генераторе 3 пилообразного сигнала), поступающего со счетчика 2 на второй кодовый вход дешифратора 5 (код показан на фиг.2а снизу) в соответствующий номер триггера. Этот номер показан на фиг. 2а сверху. Это достигается, если в дешифраторе 5 происходит преобразование кода в соответствии с таблицей. На фиг.2ж показан сигнал, который получается в результате сложения сформированных в устройстве импульсных последовательностей в одной нагрузке.

Предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом имеют следующие преимущества: формируются импульсные последовательности, соответствующие идеальной многоканальной ШИМ, в которой отсутствуют скачки фаз во всем динамическом диапазоне изменения входного аналогового сигнала, то есть преобразование входной аналогового сигнала более линейно, чем в прототипе.

Формула изобретения

1. Способ многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала, включающий формирование пилообразного сигнала, сравнение входного аналогового сигнала с граничными значениями пилообразного сигнала, сравнение информационного сигнала с пилообразным сигналом и формирование по результату их сравнения N выходных широтно-модулированных последовательностей, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности преобразования, дополнительно формируют информационный сигнал путем многократного последовательного уменьшения или увеличения входного аналогового сигнала на величину, равную размаху пилообразного сигнала, всякий раз при превышении или снижении входного аналогового сигнала соответственно выше верхнего или ниже нижнего граничного значения пилообразного сигнала изменяют фазу пилообразного сигнала на 180^o в моменты снижения или увеличения входного аналогового сигнала и формируют последовательно передние и задние фронты импульсов выходных широтно-модулированных импульсных последовательностей соответственно по результатам сравнения информационного сигнала с возрастающими и убывающими лучами пилообразного сигнала.

2. Устройство для многоканального широтно-импульсного преобразования аналогового сигнала, содержащее генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения и соединенные последовательно компаратор и дешифратор, выходы которого соединены с выходными шинами устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения линейности преобразования, в него дополнительно введены преобразователь аналогового сигнала и счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, первый кодовый выход - с первым кодовым входом генератора пилообразного напряжения, а второй кодовый выход - с вторым входом дешифратора, третий вход которого соединен с первым кодовым выходом преобразователя аналогового сигнала, второй кодовый выход которого соединен с первым кодовым входом компаратора, второй кодовый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, второй вход которого соединен с третьим выходом преобразователя аналогового сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4