Умножитель широтно-модулированных сигналов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 28.12.78 (2т) 2703060/10-24 (51)hA Кл. с присоединением заявки Hо

G ..66 G 7/161

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 1 1180, бюллетень М 42 (53) УДК 681. .335(088.8) Дата опубликования описания 17. 11. 80

С (72) Авторы изобретения

Е. П. угрюмов, И. B. Герасимов, С.В. Костичев и Н.М. Сафьянников

Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт имени В. И. ".. льянова (Ленина) (73) Заявитель (54) УМНОЖИТЕЛЪ ШИРОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ Р

СИГНАЛОВ в*.°...

Изобретение относится к области вычислительной техники и может найти применение в устройствах автоматического регулирования и управления, в информационно-измерительных системах и устройствах, где распространено представление информации в виде широтно-модулированных сигналов (ШИМсигналов).

Известны устройства f1), осушест- f0 ствляющие операцию умножения с использованием мостовой схемы, В этих устройствах функциональная характеристика не зависит от напряжения питания моста, поэтому отсутствует необходимость в его стабилизации.

B состав устройства входят уравновешенный мост, источник опорного напряжения, дифференциальный операционный усилитель постоянного тока, 2О

Выход усилителя подключен к.входу ! широтно-импульсного модулятора, выход которого является выходом устройства. Работа устройства основана на использовании импульсно-управляемых 25 проводимостей в составе мостовой схемы. Разность .напряжений в диагонали моста воздействует через усилитель на широтно-импульсный модулятор, который подбирает выходную величину 30

2 устройства так, чтобы мост оказался уравновешенным; Автобалансное состояние моста характеризуется равенством проводимостей противоположных плеч мостовой схемы, откуда и определяется функциональная характеристика устройства..

Однако в устройстве отсутствует предварительная обработка ШИМ-сигналов, что не позволяет полностью использовать возможности мостовой время-импульсной схемы и повысить ее .:, метрологические характеристики.

Наиболее близким по технической сущности является умножитель широтно-модулированных сигналов (2), содержащий последовательно соединенные дифференциальный усилитель и широтноимпульсный модулятор,. элемент ИЛИ-НЕ, первый вкод которого является первым входом умножителя, элемент И, первый, вТорой, третий и четвертый масштабные резисторы, первый и второй сглаживающие конденсаторы, первый, второй. и третий ключи, источник опорного напряжения,.причем первый вход дифференциального усилителя подключен к первым выводам первого и второго масштабных резисторов, вторые выводы которых подключены через

780016

S$

3 первый и второй ключи соответственно к источнику опорного напряжения и к шине нулевого потенциала, второй вход дифференциального усилителя подключен к первым выводам третьего и четвертого масштабных резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к источнику опорного напряжения и через третий ключ к шине нулевого потенциала, а также три элемента И и два элемента ИЛИ-НЕ.

Недостатком прототипа является невысокая точность.

Целью изобретения является по- . виаение точности работы умяожателя. Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемый умножитель широтно-модулированных сигналов введен RS-триггер, кодо-управляемый блок задержки, параллельный регистр, суммирующий счетчик, генератор счетных импульсов, блок сложения по модулю два, первый вход которого подключен к второму входу элемента

ИЛИ-НЕ к S-входу RS-триггера, к первому информационному входу кодоуправляемого блока задержки и к выходу Умножителя, второй вход блока сложения по модулю два подключен к первому входу устройства, R-входу

RS ригггера и к второму информационному входу кодо-управляемого блока задержки, выход блока сложения по модулю два подключен к первому входу элемента И, к второму входу которого подключен выход генератора счетных импульсов, выход элемента И подключен к суммирующему входу суммирующего счетчика, выход элемента

ИЛИ-HE подключен к установочному входу суммирующего счетчика и к входу синхронизации параллельного регистра соответственно, информационные входы параллельного регистра подключены к информационным выходам суммирующего счетчика и к выходам

RS-триггера, информационные выходы параллельного регистра подключены к управляющим входам кодо-управляемого,блока задержки, выходы. которого подключены к управляющим входам первого и второго ключей, управляющий вход третьего ключа является вторым входом умножителя.

Сущность изобретения состоит в снижении методичесой погрешности умножителя за счет обеспечения отно-. сительного фазового сдвига 9Ч, за- ., висящего от текущих значений ШИМ-си» гналов.

Функциональная схема предлагаемого умножителя широтно-модулированных сигналов показана на фиг. 1; временная диаграмма работы цифровой части схемы приведена на Фиг. 2.

Умнб>китель широтно-модулированных сигналов содержит дифференциальный . усилитель 1 и широтно-импульсный модулятор 2, элемент ИЛИ-НЕ 3, первый вход которого является первым . входом 4 умножителя, элемент И 5, кодо-управляемый блок 6 задержки, параллельный регистр 7, суммирующий счетчик 8, генератор 9 счетных .импульсов, блок 10 сложения по модулю два, первый ключ 11, первый масштабный резистор 12 и второй масштабный резистор 13, второй 14 и третий 15 ключи, третий 16 и четвертый 17 мас® штабные резисторы, сглаживающие конденсаторы 18 и 19, источник 20 опорного напряжения, выход 21 умножителя, второй вход 22 умножителя, триггер 23. f$ Управляющие входы двух ключей 11

14 подключены к соответствующим выходам кодо-управляемого элемента задержки.

Первый и второй входы схемы ИЛИ-.

® НЕ 3 подключены соответственно к входам блока 10 сложения по модулю два, к й- и 5-входам триггера 23 и к информационным входам кодо-управляемого блока 6 задержки.

Выход схемы ИЛИ-НЕ подключен к установочному R-входу с задержкой счетчика 8 и к входу синхронизации регистра 7. Выходы генератора 9 счетных импульсов я блока 10 сложения по модулю два подключены к элеЗО менту И 5, выход которого подключен к суммирующему входу счетчика 8.

Информационный кодовый выход счетчи,ка 8 со сдвигом на один разряд подключен к информационному кодовому входу регистра 7, подключенного последним разрядом к выходам триггера 23.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени триггер 23, счетчик 8 и регистр 7 находятся в нулевом состоянии, На входы 4 и 22 умножителя поступают синхронные и синфазные ШИМ-сигналы с некоторыми относительными длительностями 8 и & . Входной ШИМ-сигнал с относительной длительностью 9 управляет линейной импульсно-управляемой проводимостью, которая состоит из последовательно соединенного ключа 15 и,масштабного резистора

16. Двумя другими линейными импульсно-управляемыми проводимостями, содержащими ключ 11, резистор

12 н ключ 14, резистор 13, управляют IQHN-сигналы с относительными длительностями & и 6>gq, которые поступают с выходов кодо-управляемого блока б задержки, Эти относительные длительности равны соответственно относительным длительностям & ы и S, так как кодо-управляемый блок б задержки осуществляет только задержку ШИМ-сигналов согласно управляющему коду .

780016 или

dO

При достаточно большой емкости конденсаторов 18 и 19 обеспечивается

"развязка" плеч моста.по переменному току, что дает возможность считать средние значения линейных им» пульсно-управляемых проводимостей пропорциональными относительным длительностям управляющих ШИМ-сигналов, Тогда изменение длительностей управ; .ляющих ШИМ-сигналов &„ и 9 приво дит к пропорциональному изменению проводимостей первого (ключ 11, резистор 12) и третьего (ключ 15, резистор 16) плеч моста, что вызывает изменение потенциалов по постоянному току на входах дифференциального усилителя 1, к которым подключены сглаживающие конденсаторы 18 и 19 °

Дифференциальный операционный усилитель 1 постоянного тока, вклю.— ченный в одну диагональ моста, выделяет и усиливает разность потенциалов на этих конденсаторах. В другую диагональ моста включен источник 20 опорного напряжения.

Выходное напряжение усилителя 1 с помощью широтно-импульсного модулятора 2 преобразуется в ШИМ-сигнал с относительной длительностью 6 бьн, который через кодо-управляемую схему 6 задержки поступает на управля" ющий вход ключа 14 линейной импульсно-управляемой проводимости второго плеча моста (резистор 13, ключ 14) обеспечивая автоматическое сведение его баланса, т.е. выравнивание постоянных составляющих потенциалов на входах усилителя 1.

Таким образом, в установившемся состоянии схемы уравновешивается баланс моста., т.е.

G< G+ = G,-, С;„, () где С ., G, G... G+ - средние значения проводимостей соответственнопервого, второго, третьегб и четвертого плеч моста.

Очевидно, что проводимость четвертого плеча моста запишется в виде

А

17 11 где G - проводимость соответствую11 щего резистора 17.

Проводимости остальных плеч моста для постоянных составляющих токов имеют следующие выражения

02 - 0„Е1 ê a 1 Евщ = &з» lR, 6 1Ь 2 2 111ья где G G, G R, R, R - проводи12 1Ъ 16 12 1Ъ Ф4 г сопротивления соответ« ствующих реэисто ров 12, 13 16.

Таким Образом, значение выХОДНОй величины находится иэ уравнения (I) с120„Ье„е - 01.,01,ев„„

)O е„,„- к -в„э,, (2)

< 12 %1Ь I < b <17 .

С приходом &, и Ь щ,д сумматор 10

rfo модулю два вйрабатывает ревностный интервал (С1 — вы 1, за время которого .на счетчик 8 поступает импульсная последовательность t ц с генератора 9 счетных импульсов через элемент И 5. RS-триггер 23 устанавливается к моменту окончания интервалов С1 или эюк по большему

29 из нихг в "0" при Г1 7 выл и в

"1" при ?1 c Tsbtg . В случае равенства C„- Свыше состояние триггера 23, являясь неопределенным, не влияет на работу схемы, так как со2 держимое счетчика 8 оказывается равным нулю.При завершении действия

", Т,иод,„схема ИЛИ-ИЕ 3 вырабатывает разрешающий сигнал для осуществления приема информации регистром 7 и после® дующего (задержка по входу й) сброса в "0" счетчика 8. Перезапись кодового эквивалента (C1 - С»,„ ) из счетчика в регистр производится со сдвигом на один разряд, благодаря ,чему реализуется операция деления .иа два. В последний разряд регистра

7 записывается содержимое триггера

23. Кодо-управляемый блок 6 выполняет задержку одного из сигналов по входам . н A или .тнВ при наличии

4О единицы на унравляющем входе Y A или Y В соответственно. Таким образом, ШИЯ-сигналы на выходах кодоуправляемого элемента задержки Вин

& 2следуют со сдвигом фаэ 5- азию(. (3)

Работа цифровой части схемы поясняется временной диаграммой (см. фиг. 2а, б) для двух вариантов соответственно: &1 7 Овь„,и О„ 1 6эых ° В первом случае осуществляется сдвиг сигнала 9@»z относительно &1, а во втором - 91 относительно S 8»„. а

Введение определенного фазового сдвига (3) обеспечивает минимизацию погрешности функционирования двух последовательно включенных импульсно-управляемых проводимостей импульсно-управляемого делителя напряжения (элементы 11-14, 18). Учет этой дополнительной погрешности и оэволяет повысить точность работы мостовой схемы в целом.

В основу построения умножения широтно-модулированных сигналов по78001б ложен принцип введения управляемого фазового сдвига ШИМ-сигналон, направленного на снижение методической . погрешности, обусловленной последо вательным включением двух импульсно "управляемых проводимостей, которые. представляют собой импульсно-управляемый делитель напряжения(ИУДН).

Можно показать, что приведенная методическая погрешность работы

ИУДН в статическом режиме бпредее -="" " ляется еыраженнем „ О -Я (4) где U -- среднее значение напря-

Р жения на конденсаторе для идеального режима функционирования ИУДН.

Учитывая пропорциональность прб = водймбСтей ИУДН значениям бтносительных длительностей управляющих

ШИМ-сигналов.для идеального режима функционирования, среднее значе ййе напряжения на конденсаторе

ИУДН равно Е G G„„.

"сР е„е1; б;Ъ„ (5)

Можно показать, что погрешность, определяемая по формуле (4) при изменении 9@ ст 0 до 1 и неизмененных

О„1 и О меняет свой знак и может быть сведена к нулю при некотором значении ОчЗначение относительного сдвига фаз, позволяющее снизить погрешность более чем на порядок, определяется из выражения, (О„„-О „)

Ммьи а. (6)

Таким образом, из полученного выражения (б) следует принятое: для реализации н умножнтеле широтноМодулированных сигналов выражение(3).

В йредлагаемом умножителе снижена более чем на порядок методическая йогресешнсоаснть имг ултьсно-уПравпяемо-го деалителся йапряжленйся," Чтот -поевЫсШает точность работы умножителя ширбтно-мбдулированных сигналов по сравнению с прототипом.

Достоинствами умножителя являются такие высокая надежность, обусловленная простотой схемы, помехоустойчивость, вытекающая из принципа усреднения ШИМ-сигналов, незави"симость выходной характеристики от изменений опорного напряжения, что является свойством мостовой схемы, Предлагаемый умножитель обладает к тому же высокой технологичностью, что следует из,воэможности исполь"зованик типовых интегральных микросхем, в том числе среднемасштабных, и имеет по этой причине хорошие весо"габарйтные и экономические показатели.

Формула изобретения

Умножитель широтно-модулированных.

--сигналов, содержащий последовательно соединенные дифференциальный усилитель и широтно-импульсный модулятор, элемент ИЛИ-HE первый вход которого является первым входом умножителя, элемент И, первый, второй, третий и четвертый масштабные резисторы, первый и второй сглаживающие конденсаторы, первый, второй и третий ключи, источник опорного напряжения, причем первый вход дифференциального усилителя подключен к первым выводам первого и второго масштабных ре- знсторов, вторые выводы которых подключены через первый и второй ключи соответственно к источнику опорного напряжения и к шине нулевого потенциала, второй вход дифференциального усилителя подключен к первым вы33 водам третьего и четвертого масштабных резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к источнику бпорного напряжения и через третий ключ к шине нулевого потенци» ала, первый и второй входы дифференциального усилителя подключены через первый и второй конденсаторы соответственно к шине нулевого потенциала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены RS-триггер, кодоуправляемый блок задержки, параллельный регистр, суммирующий счетчик, генератор счетных импульсов, блок сложения по модулю два, первый вход

® которого. подключен к второму входу элемента ИЛИ-HE к S-входу RS-триггера, к первому информационному входу кодо-управляемого блока задержки и к выходу умножителя, второй

ЗЗ вход блока сложения по модулю два подключен к первому входу устройства, R-входу RS-триггера и к второму информациойному входу кодо-управляемого блока задержки, выход блока сложе4() ния по модулю два подключен к первому входу элемента: И, к второму входу которого подключен выход генератора счетных импульсов, выход элемента И "подключен к суммирующему входу суммирующего счетчика, выход

45 элемента ИЛИ-HE подключен к установочному входу суммирующего счетчика и к входу синхронизации параллельного регистра соответственно, информационные входы параллельного регист$0 ра йодключены к информационным выходам суммирующего счетчика и к выход".м RS-триггера, информационные выходы параллельного регистра подключены к управляющим входам кодоуправляемого блока задержки, выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго ключей, управляющий вход третьего ключа является нторым входом умножителя.

Источники информации, 40 принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ф 2б0290, кл. G 06 G 7/16, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

9 525114, кл. G 06 С 7/161, 1976

65 (прототип).

780016

Составитель Т. Сапунова

Редактор Л. Гольдина Техред М.рейвес Корректор Л. Иван

Заказ

9327/15 Тираж 751 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

1

1

1