модулятор скважностно-импульсный

Формула изобретения

Модулятор скважностно-импульсный, содержащий формирователь тактовых импульсов, образующий короткие импульсы из фронтов импульсов синхронизирующей частоты, фильтр нижних частот, источник пускового тока, обеспечивающий ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающийся в момент запуска устройства, одновибратор, состоящий из интегрирующего конденсатора, ключа разряда интегрирующего конденсатора, ключа шунтирования входа фильтра, устройства сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающего устройства, формирующего выходную последовательность импульсов, замыкающего ключи устройства при равенстве напряжений в устройстве сравнения и размыкающего ключи при возвращении в исходное состояние тактовыми импульсами формирователя, отличающийся тем, что он содержит источник тока управляемый током с регулируемым коэффициентом передачи, подключенный токоприемным входом к выходу фильтра нижних частот, обеспечивающий модуляцию импульсов выходной последовательности регулированием коэффициента передачи модулирующим сигналом и отражающий ток управления токоприемного входа или на один выход, имеющий коэффициент передачи тока, равный или больший единицы, который включается в контур обратной связи, генерирующий ток управления источника тока управляемого током и состоящий из последовательно соединенных интегрирующего конденсатора, фильтра нижних частот и токоприемного входа, или на два выхода, один из которых обеспечивает ток заряда подключенного к нему интегрирующего конденсатора, а второй, имеющий коэффициент передачи тока, равный или больший единицы, подсоединяется к входу фильтра нижних частот и образует контур генерирования тока управления вместе с последовательно включенными фильтром нижних частот и токоприемным входом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике, автоматике и может быть использовано, например, в системах автоматического регулирования с частотно-импульсной, широтно-импульсной, комбинированной частотно-скважностной модуляциями, в системах управления импульсных источников питания.

Известен времяимпульсный модулятор, использующий ждущий мультивибратор для формирования импульсов заданной длительности, в котором напряжение на интегрирующем конденсаторе, заряжаемом от источника неизменного тока, сравнивается с модулирующим напряжением, и в момент равенства этих напряжений генерируется импульс, заставляющий срабатывать запоминающее устройство, которое возвращается в исходное состояние синхронизирующими импульсами [2].

Недостатком этих устройств является то, что скважность модулированных импульсов не поддерживается при изменении периода синхронизирующей частоты. Целью изобретения является модуляция скважности импульсов.

Наиболее близким аналогом скважностно-импульсного модулятора является преобразователь частота-ток [1], обеспечивающий скважность импульсов на выходе запоминающего устройства, равную коэффициенту передачи питающего ИТУТ, и содержащий формирователь тактовых импульсов, фильтр нижних частот, пусковое устройство, обеспечивающее ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающееся в момент запуска устройства, одновибратор, состоящий из интегрирующего конденсатора, ключа разряда интегрирующего конденсатора, ключа шунтирования входа фильтра, устройства сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающего устройства, замыкающего ключи в момент равенства напряжений в устройстве сравнения и возвращаемого в исходное состояние тактовыми импульсами.

Модуляция скважности импульсов достигается тем, что модулятор, обеспечивающий скважность импульсов на выходе запоминающего устройства, равную коэффициенту передачи ИТУТ, и содержащий формирователь синхронизирующих импульсов, фильтр нижних частот, источник пускового тока, обеспечивающий ненулевое начальное значение тока на выходе фильтра нижних частот и отключающегося в момент запуска устройства, одновибратор, состоящий из интегрирующего конденсатора, ключа разряда интегрирующего конденсатора, ключа шунтирования входа фильтра, устройства сравнения напряжения на интегрирующем конденсаторе и опорного напряжения, запоминающего устройства, формирующего выходную последовательность импульсов, модулированных по скважности, и замыкающего ключи в момент равенства напряжений в устройстве сравнения, размыкающего ключи при возвращении в исходное состояние синхронизирующими импульсами, содержит источник тока, управляемый током с регулируемым коэффициентом передачи, подключенный токоприемным входом к выходу фильтра нижних частот, обеспечивающий модуляцию импульсов выходной последовательности регулированием коэффициента передачи модулирующим сигналом и отражающий ток управления токоприемного входа или на один выход, имеющий коэффициент передачи тока, равный или больший единицы, который включается в контур обратной связи, генерирующий ток управления источника тока, управляемого током, и состоящий из последовательно соединенных интегрирующего конденсатора, фильтра нижних частот и токоприемного входа, или на два выхода, один из которых обеспечивает ток заряда подключенного к нему интегрирующего конденсатора, а второй, имеющий коэффициент передачи тока, равный или больший единицы, подсоединяется к входу фильтра нижних частот и образует контур генерирования тока управления вместе с последовательно включенными фильтром нижних частот и токоприемным входом.

На фиг.1 представлена функциональная схема модулятора скважностно-импульсного, содержащая формирователь тактовых импульсов 1, устройство сравнения (УС) 2, запоминающее устройство (ЗУ) 3, интегрирующий конденсатор 4, ключ разряда интегрирующего конденсатора 5, ключ шунтирования 6, источник тока, управляемый током 7, с регулируемыми коэффициентами передачи, отражающий ток управления токоприемной цепи на несколько выходов, фильтр нижних частот, образуемый конденсатором 8 и развязывающим диодом 9, источник пускового тока 10, источник опорного напряжения 11.

На фиг.2 представлена функциональная схема модулятора скважностно-импульсного, содержащая формирователь тактовых импульсов 1, устройство сравнения 2, запоминающее устройство 3, интегрирующий конденсатор 4, ключ разряда интегрирующего конденсатора 5, ключ шунтирования 6, источник тока управляемый током 7 с регулируемыми коэффициентами передачи, отражающий ток управления токоприемной цепи на несколько выходов, фильтр нижних частот, образуемый конденсатором 8 и развязывающим диодом 9, источник пускового тока 10.

В скважностно-импульсных модуляторах чертежи фиг.1 и фиг.2 сигнал синхронизирующей частоты F подается на вход формирователя 1, усиливающего и ограничивающего входной сигнал и создающего короткие тактовые синхроимпульсы по фронтам и/или срезам входного сигнала. Сформированная последовательность f синхроимпульсов с периодом повторения Т управляет одновибратором, включающим устройство сравнения 2, запоминающее устройство 3, интегрирующий конденсатор 4, ключи 5 и 6, управляемые с выхода запоминающего устройства, формирующего выходную последовательность G модулированных по длительности импульсов. Заряд интегрирующего конденсатора емкостью С осуществляется током i_c с одного из выходов ИТУТ 7, отражающего ток управления i токоприемного входа. Ток управления ИТУТ генерируется в контуре, являющимся петлей положительной обратной связи ИТУТ, и выделяется фильтром из последовательности импульсов тока, дозированных по заряду. Очередной синхронизирующий импульс восстанавливает запоминающее устройство, например, триггер, который размыкает ключи 5 и 6. Текущий цикл начинается с фаза заряда интегрирующего конденсатора 4. В течение фазы заряда напряжение u_C на интегрирующем конденсаторе 4 возрастает и сравнивается УС 2, например, компаратором, с опорным напряжением U_O. Длительность импульса выходной последовательности G, как и длительность фазы заряда Т_c интегрирующего конденсатора, отсчитываемые от начала текущего цикла, зависит от тока заряда и определяется из условия равенства напряжения на конденсаторе и опорного напряжения. Это условие обеспечивает постоянное значение заряда, интегрируемого конденсатором 4 в течении цикла. В момент равенства напряжений УС 2 генерирует импульс, заставляющий срабатывать ЗУ 3, которое замыкает ключи 5, 6. Начинается фаза разряда интегрирующего конденсатора. При замыкании ключа 6 вход фильтра шунтируется и ток i на его выходе поддерживается конденсатором 8. В течение фазы разряда ключи 5 и 6 остаются замкнутыми до тех пор, пока на другой вход ЗУ не поступит очередной синхронизирующий импульс с формирователя 1. По окончании текущего тактового импульса запоминающее устройство восстанавливается и начинается фаза заряда следующего цикла. Таким образом, в результате периодического воздействия тактовых импульсов на входе фильтра формируется последовательность, дозированных по заряду (Q=C·U₀), импульсов ток i_a, имеющих скважность s=Т/Т _с. Последовательность сглаживается фильтром нижних частот, состоящего из развязывающего диода 9, и конденсатора 8 емкостью С_ф, резистивного элемента, включающего входное сопротивление ИТУТ. Ток i на выходе фильтра нижних частот является током управления ИТУТ. Короткие импульсы обеспечивают также разряд интегрирующего конденсатора, что необходимо в том случае, если напряжение на интегрирующем конденсаторе не достигло порогового значения за время прошедшего цикла и, следовательно, интегрирующий конденсатор не разрядился к началу следующего. Источник пускового тока 10 обеспечивает начальное возбуждение устройства, поддерживая в цепи фильтра произвольное значение тока I_п большее нуля до начала работы и отключая его в момент запуска по какому-либо условию, например, в момент появления частотной последовательности на входе преобразователя или при превышении выходным током какого-нибудь заданного значения.

В модуляторе (фиг.1) процесс формирования последовательности дозированных по заряду импульсов тока и процесс генерации тока управления ИТУТ осуществляются в одном контуре, включающим выход ИТУТ 7 с регулируемым коэффициентом передачи k(u _m), интегрирующий конденсатор 4, фильтр нижних частот, состоящий из конденсатора 8, разделительного диода 9 и резистивного элемента, включающего входное сопротивление токоприемного входа ИТУТ с регулируемым коэффициентом передачи. Потенциалы пластин времязадающего конденсатора зависят от падения напряжения на элементах фильтра нижних частот. Для обеспечения требуемой точности преобразования частоты источник опорного напряжения 11 поддерживает опорное напряжение с учетом изменения падения напряжения на фильтре. Опорное напряжение может быть постоянным, если изменение падения напряжения на фильтре при изменении тока управления ИТУТ незначительно, много меньше величины опорного напряжения, и обеспечивается достаточная стабильность заряда импульсов тока, протекающих через интегрирующий конденсатор.

В модуляторе (фиг.2) процессы периодического заряда интегрирующего конденсатора и генерации тока управления разделены. Периодический заряд интегрирующего конденсатора осуществляет с выхода ИТУТ 7 с регулируемым коэффициентом передачи k _c(u_m), а генерирование тока заряда происходит в контуре, включающим другой выход ИТУТ с регулируемым коэффициентом передачи k(u_m), фильтр нижних частот, и токоприемный входа ИТУТ 7. Фильтр нижних частот состоит из конденсатора 8, диода 9, резистивного элемента токоприемного входа ИТУТ. Условием работы является постоянное отношение коэффициентов передачи k(u_m) и k_c (u_m).

В процессе воздействия последовательности синхронизирующих импульсов f при любом произвольном значении тока i(t) в данный момент времени переходные процессы, происходящие в модуляторе, приводят к тому, что ток i(t) стремится принять установившееся значение и форму. Форма пульсаций тока представляет собой непрерывную кусочно-гладкую кривую, состоящую из последовательно чередующихся восходящих и нисходящих участков, характер которых зависит от характеристики фильтра нижних частот. Постоянная составляющая тока управления ИТУТ и скважность импульсов на выходе запоминающего устройства не зависят от свойств фильтра, постоянная составляющая тока прямо пропорциональна частоте, а скважность импульсов, отношение периода цикла к длительности фазы заряда, устанавливается равной текущему значению коэффициента передачи k ИТУТ с регулируемым коэффициентом передачи. Условием возбуждения процессов является значение коэффициента передачи тока k, равное или большее единицы. При регулировании коэффициента передачи ИТУТ модулирующим сигналом u_m скважность импульсной последовательности G на выходе устройства является функцией модулирующего напряжения

Характер изменения скважности при изменении синхронизирующей частоты определяется характером изменения тока в генерирующем контуре при переходном процессе. Например, в обоих вариантах, учитывая, что для модулятора (фиг.1) коэффициент k _c=k, при вольтамперной характеристике u _ф=i·R+m· _Т·ln(i/I_S ) резистивного элемента, представляющего цепочку из m - последовательно включенных p-n-переходов и резистора, скважность в n-м цикле переходного процесса связана с током в начале n-ого цикла зависимостью

где С_ф·(R+m _TT/Q) - постоянная времени фильтра.

Оценку сходимости и устойчивости процессов в модуляторе при заданных параметрах преобразователя и любых начальных условиях дает анализ зависимости I_n+1=Y(I _n, T), где I_n - значения выходного тока в начале n-го цикла; I_n+1 - значение тока в начале следующего (n+1)-го цикла. Область определения функции разбивается на два интервала: 0<I_n I_cr и I_n I_cr В интервале 0<I _n<I_cr выходной ток нарастает экспоненциально и непрерывно, поскольку интегрирующий конденсатор не успевает зарядиться до порогового напряжения за время цикла. При I _n I_cr процесс принимает импульсный характер. Например, при вольтамперной характеристике резистивного элемента u_ф=i·R+m· _Т·ln(i/I_S ) функция I_n+1=Y(I_n , T), отображающая при определенных допущениях достаточно точно процесс сходимости, принимает вид

где

При графическом изображении точка пересечения функции I_n+1=Y(I_n, T) и прямой I_n+1=I_n соответствует установившемуся режиму. Скважность импульсов в интервале I _n>I_cr больше единицы, а процесс изменения скважности в неустановившемся режиме описывается уравнением

В скважностно-импульсных модуляторах используется свойство преобразователя частота-ток, позволяющее поддерживать скважность импульсов тока заряда интегрирующего конденсатора и импульсов на выходе запоминающего устройства равной коэффициенту передачи управляемого током источника тока, охваченного обратной связью. Коэффициент передачи ИТУТ регулируется модулирующим сигналом и является функцией модулирующего напряжения k=k(u _m). В обоих вариантах реализации, приведенных на фиг.1 и фиг.2, обеспечивается один и тот же технический результат, модуляция импульсов по длительности, при которой скважность модулированных импульсов не зависит от синхронизирующей частоты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент RU 2274948 C2, 28.04.2004. Преобразователь частота-ток. Коркин В.В.

2. Справочник по радиоэлектронным устройствам. Том 1. /Под общей редакцией Куликовского А.А. - М.: Энергия, 1978, стр.425-427.