Цифровой широтно-импульсный модулятор

 

ОПИСАНИЕ 395577

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства М

Заявлено 20.11.1970 (№ 1403998/18-24) с присоединением заявки ¹

Приоритет

Опубликовано 04.V1.1971. Бюллетень ¹ 18

Дата опубликования описаш я 23Л 11.1971.ЧПК Н 03k 7/10

Комитет па делам иэобретеиий и открытий

flpM Совете Мииистрав

СССР

УДК 621.376.5(088.8) 1 ДгЕГОЩНЛЯ . КАЯ)

:HA

Авторы изобретения

В. М. Трохин и А. А. Айдынян

Заявитель

Украинский заочный политехнический институт

ЦИФРОВОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЪ|Й 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 повышения 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 модулятора; 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 и 14 — 17 в цепи обратной связи; два нереверсивных триггерных счетчика на ячейках 18 — 27 и 28 — 87 соответственно, играющих роль интегрирующего и

5 делительного устройств; четыре стробирующие ячейки 88 — 41 для управлечия работой кольцевого регистра на ячейках 12 — 45 и реверсивного регистра на ячейках 46 — 51 блока управления и защиты; трп выходных

10 управляющих феррит-транзисторных триггера 52 — 54, феррит-транзисторные триггеры защиты 55 и 56, которые вместе со сxe»a.»0

«И» 57 и 58 защищают исполнительное устройство от реверса при оольших или дли15 тельных рассогласованиях; два аналого-цифровых преобразователя 59 и 60 в цепи задания и в цепи обратной связи и суммирующий усилитель 61.

Перед началом работы все элементы схе20 мы устанавливаются специальным импульсом сброса в состояние, изображенное иа фиг. 1, где заштрихованной половине триггера соответствует высокий отрицательный потенциал, а заштрихованной ячейке — первоначальная установка ее в единичное состоя»ие.

Работу модулятора целесообразно рассматривать в трех режимах:

1 — при отсутствии импульсов задания

ЗО и импульсов ооратной связи /з;

305577

10 полуперио <а

15 го григгерного

Среднее значение напряжения триггера ср — о г5

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 F,— Fs, частбты следования которых и временные сдвиги между которыми одинаковы, Импульсы тактовых частот F и F, 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 други,; элементов «задания» и «обратной связи» чисто условное) . Импульсы тактовых частот

F> и Fs, поступая на младший разряд триггерного счетчика цепи обратной связи (ячейки 28 — 31), делают то же самое.

Данная операция происходит следующим образом.

Импульс тактовой частоты F> считывает ячейки 19 и 21. Единица при этом переписывается в ячейку 20. Импульс тактовой частоты Fq 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. 1Лмпульс тактовой частоты Fq 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 Fg и Fs, 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 Fq считывает единицу из ячейки 37 и записывает ее в ячейку 40 и 41. Восьмой импульс тактовой частоты F 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 Fs или Fs 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 (F2 или

F4) продвигает единицу из ячейки 45 в ячейку 42 и готовит схему к следующей операции.

Импульс тактовой частоты (Fs или F<) 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:

S= — "=1, п где t „— длительность одного полупериода (импульса);

l„— длительность другого (паузы) .

Частота переключений триггера 53 связана с частотой тактовых импульсов F слеI, дующим соотношением: f,„,—

r где n — количество разрядов счетчика. выходного импульсного

53 за период:

=- О т где Ьц — напряжение коллекторного питания трипера;

Т вЂ” период колебаний выходного н инульсного напряжения триггера.

Данный режим работы схемы удобен для первоначальной проверки ее и при наладке.

При наличии импульсов задания и импульсов обратной связи схема дейлвует следующим образом.

Если преобразуемые сигналы U и Г, представлены в аналоговой форме, они подаются сначала на цифро-аналоговые функциональные преобразователи 59 и б0, а затем в частотной форме — и а соответствующие входы схем «И» 57 и 58. -1астотные 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 5б.

Блоки синхронизации работают следующим образом.

При отсутствии импульсов задания на входе триггера 13 последний запрещает прохождение импульсов через схему «И» ll, так как а один нз ее входов подается низкий отрицательный потенциал с триггера 13. Импульсы тактовой частоты Fs периодически записывают единицу в ячейку 12, а импульсы тактовой частоты F, считывают ее, но ввиду запрета со стороны схем «И» 11, импульсы в ячейку 10 не передаются.

Импульс частоты задания f из,меняет состояние триггера 13, вследствие чего на одном из входов схемы «И» 11 появляется раз305577

65 решающий потенциал, и схема 11 разрешает передачу единицы из ячейки 12 в ячейку 10 с тактовым импульсом F!. Импульс тактовой частоты F3 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 18 в исходное состояние, запрещая прохождение следующего импульса через схему «И» 11. Следовательно, в блоке синхронизации импульс частоты f, замещается импульсом тактовой частоты F3. Аналогично работает блок син«ронизации и в цепи обратной связи с импульсами тактовых частот F; и F .

Так как оба триггерных счетчика синхронно управляются импульсами тактовых частот

F!, Fg и Fs, Fg, а импульсы задания вводятся на их входы синхронно с импульсами тактовых частот F> и F7, схема модулятора надежно защищена от потери информации.

Данное обстоятельство порождает определенное ограничение для частот f! и f>, заключающееся в том, что эти частоты не должны превышать частоту тактовых импульсов, т. е.

f!(Г, а f2(F?.

При нарушении этих условий происходит безвозвратная потеря информации.

Особенностью работы схемы при наличии импульсов частот f! и f> состоит в том, что наряду с тактовыми импульсами триггерные счетчики заполняют импульсы частот и f>, а это приводит к уменьшению их относительной емкости, вследствие чего несколько повышается частота импульсного напряжения триггера 58 и изменяется скважность импульсного напряжения. Частота переключений триггера 58 определяется выражением: с

I вых—

2П

Вы«одная «арактеристика модулятора изображена на фиг. 2, где по оси ординат отложены средние значения выходного напряжения триггера 58 в функции разности ЛМ между числом импульсов частоты F, и числом импульсов частоты f .

Благодаря частотно-фазовому принципу работы схемы, а также вследствие дискретности ввода импульсов на входы, проис«одиг квантование по времени выходного напряжения, определяемое тактовой частотой и частотами f! и fq, заполняющими счетчик, и квантование по уровню, вызванное дискретностью поступления импульсов частот f, и

Данные утверждения справедливы для зоны 1 (см. фиг. 2) выходной характернстнкн модулятора.

Приращение среднего значения вы«одного импульсного напряжения на один импульс частоты f! или f определяется формулой ду с

2П вЂ” 1

Из формулы видно, что стабильность работы модулятора зависит от стабильности напряжения, питающего триггер 58. Широтно-импульсно модулированное напряжение с вы«ода последнего поступает на суммирующий усилитель б1 для предварительного усиления по напряжению.

Возможно относительное переполнение одного из счетчиков импульсами частот или при больши«или длительны«рассогласования«в системе. Если при этом разность импульсов частот F! и F 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 58 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, переполнение счетчика произошло по цепи задания. т. е. F!»F>, 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 88 и 49 разрешают продвижение единицы в реверсивном регистре из ячейки 49 только в ячейку 50.

Далее с«ема действует аналогично ранее рассмотренному, но единица в реверсивном регистре передается уже между ячейками 49 и 50 или между 48 и 47, если переполнение произош.по за счет F )F!.

Следовательно, в этом случае состояние управляющего триггера 58 не изменяется, а триггер управления 54 периодически изменяет свое состояние под воздействием выходцы«импульсов со старши«разрядов триггерны«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 II на выходной характеристике модулятора (фиг. 2).

Более высокий уровень квантования выходного импульсного напряжения по амплитуде AU> позволяет ускорить действие исполнительного устройства системы, в которой работает модулятор, и быстро ликвидировать возникшее рассогласование. Для этого необ«одимо, чтобы со старшего разряда счетчика цепи обратной связи поступили один за друп!м два импульса. С«ема возвращается к нормальному режиму работы в предела« зоны 1 вы«одной «арактеристики.

Возможен случай, когда работа в пределах зоны II не может ликвидировать рассо305577 гласование и режим, при котором fi))fz сохраняется длительное время. В этом случае если переполнение происходит по цепи частоты задания fi, триьчерный счетчик цепи задания систематически переполняется, и единица в реверсивном регистре передвигается о" 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 неизменны»|, 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 III 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 свойство проявляется в том, что oii вместе с триггерными счетчиками запоминает разность числа импульсов задания и обратной связи в преде7ах емкости своей динамической памяти, которая определяется формулой:

q„. — — 2" (т — 2), 1

2 где т — число ячеек реверсивного регистра.

Это позволяет простыми техническими средствами получить выходную характеристику цифрового широтно-импульсного модулятора с ограничением по максимуму.

Возвращение схемы модул ятор а в нормальный режим работы происходит автоматически, так как переполняется счетчик в цепи обратной связи, и единица в реверсив5 ном регистре передается между ячейками 48 и 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 позволясT

15 без существенного усложнения схемы значнр асш ир итi> В03 310>K iiocTH настройки регулятора с 1анным модулятором и получить процесс регулирования, близкий к оптнмаль 10му.

Предмет изобрет" ння

Цифровой широтно-импульсный модулятор, содержащий генератор тактовы. импульсов, кольцевой регистр сдвига, блоки

25 синхронизации, триггерные счетчики, блок управления и защиты, содержащий стробнрующне ячейки, регистры сдвига, управляющие триггеры и триггеры защиты, а также схемы «И», аналого-цифровые нреобра ova30 тели и суммирующий усилитель, отлича(0и ийся тем, что, с целью повышения точности его работы, выходы старших разрядов сче гчпков через стробирующие ячейки подключены ко входу кольцевого и реверсивного регистров, выходы которых подключены ко входам трех управляющих триггеров и двух трип еров защиты, выходы которых соединены со входом суммирующего усилителя.

305577

Техред Т. П. Курилко Корректор Л. А. Царькова

Редактор Б. Б. Федотов

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 1967/15 Изд. ¹ 852 Тираж 473 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров ССС Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5