ЛИНЕЙНЫЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДВУМЯ ВЫХОДАМИ НА ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМАХ - ТРИГГЕРЕ ШМИТТА И ДВУХ ИНВЕРТОРАХ
LINEAR PULSE WIDTH CONVERTER WITH TWO OUTPUTS ON DIGITAL MICROCHIPS - SCHMITT TRIGGER AND TWO INVERTERS

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к широтно-импульсным преобразователям (ШИП) или широтно-импульсным модуляторам (ШИМ) на основе триггеров Шмитта, и может быть использовано при проектировании стабильных импульсных источников питания в приводах ШИМ двигателей постоянного тока, во времяимпульсных вычислительных системах и других устройствах измерительной техники и автоматики.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей схем на триггерах Шмитта, упрощение конструкции и повышение надежности устройств.
вх
ШИП или ШИМ (см. фиг.1) вырабатывает последовательность нормализованных по амплитуде импульсов с коэффициентом заполнения γ, зависящим от входного напряжения U. и равным:
и
γ=Т/Т, 0<γ<1,
и
где Т - длительность импульса, Т - период их следования.
вх
Функция преобразования ШИП определяется как отношение выходной величины γ к входной U.
Функция линейного преобразователя в общем случае описывается выражением:
0
вх.
где γ - некоторое начальное значение коэффициента заполнения при U=0.
вх
К - крутизна функции преобразования на линейном участке, определяемая как отношение: К=(Изменение γ)/(Изменение U), [1/B].
Для нарастающей функции преобразования К>0, для убывающей К<0.
Известны и применяются в измерительной технике ШИП на операционных усилителях, работающих в режиме двухпорогового компаратора /1/, на цифровых микросхемах - триггерах Шмитта, представляющих собой двухпороговое устройство. /2, 3, 4/.
Ближайшим аналогом предлагаемого решения являются генераторы прямоугольных импульсов, управляемые напряжением (ГУН), построенные на цифровых микросхемах - триггерах Шмитта, структура которых аналогична предлагаемому решению /5, с.81/.
Выполненные нами теоретические расчеты и результаты экспериментального исследования таких ГУН показали, что данные устройства в значительном диапазоне входных напряжений обладают линейной характеристикой, присущей широтно-импульсным преобразователям.
Таким образом, в заявке речь идет о применении известного устройства ГУН по новому предназначению - в качестве ШИП с линейной функцией преобразования.
Применяемые в технике ШИП в общем случае подразделяются на 2 типа функционирования:
вх
и
- в первом типе преобразователей изменение коэффициента γ от U. происходит на фиксированной рабочей частоте (период Т импульсной последовательности фиксирован, а изменению подвергается только длительность импульса Т);
и
- во втором типе изменяется как длительность Т, так и период Т.
Данное изобретение относится ко второму типу ШИП.
1. Электрическая схема заявляемого устройства представлена на фиг.2.
п
вх
ШИП подключается к источнику питания U, входное напряжение U подается на первый вывод входного резистора 1, второй вывод которого подключен на первый вывод хронирующего конденсатора 2 (второй вывод конденсатора заземлен), на вход триггера 4 и на первый вывод резистора обратной связи 3, второй вывод которого подключен к выходу триггера 4, и далее, на вход инвертора 5, выход которого является первым выходом схемы для условия К>0, и на вход инвертора 6, выход которого является вторым выходом схемы для условия К<0.
ШИП (на примере его реализации на логических элементах, изготовленных по КМОП технологии) работает следующим образом.
п
вх
у
При формировании импульса (напряжение на выходе триггера Шмитта 4 высокое и близко напряжению питания U) происходит зарядка хронирующего конденсатора С током, текущим с выхода триггера через резистор R, и током, текущим под действием входного напряжения U через резистор R.
с
в
При достижении напряжения на конденсаторе верхнего порога срабатывания триггера U>U напряжение на его выходе становится близким к нулю, ток через резистор R меняет направление, и начинается процесс разряда конденсатора (формирование паузы).
с
н
Конденсатор разряжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет значения нижнего порога триггера U<U, при этом на выходе триггера вновь установится напряжение, близкое напряжению питания. Пауза заканчивается, вновь начинается процесс заряда конденсатора, и следовательно, происходит формирование очередного импульса.
у
у
Таким образом, преобразователь генерирует на своем выходе прямоугольные импульсы, ширина которых определяется отношением токов, зависящим от отношения сопротивлений R, R, т.е. от R/R.
Инверторы 5 и 6 предназначены для формирования нормированного напряжения на выходах 1, 2 и исключения влияния нагрузки на процесс перезарядки хронирующего конденсатора С, т.е. на работу ШИП.
вх.min
вх.max
ШИП функционирует в диапазоне входных напряжений от U до U:
н
в
п
Здесь U, U - нижний и верхний пороги срабатывания триггера Шмитта при напряжении питания U,
у
R, R - сопротивления резисторов преобразователя.
Коэффициент заполнения γ преобразователя внутри рабочего диапазона входного напряжения может быть представлен в виде:
где
Из соотношения (4) видно, что зависимость коэффициента заполнения γ от входного напряжения сложна и нелинейна.
Путем расчетов и проведенных экспериментальных исследований преобразователя получены графики функции, для различных соотношений параметров схемы. На рис.3. представлен обобщенный график (исходная кривая 1) и ее аппроксимации линейными зависимостями.
вх
Нелинейность функции проявляется только вблизи границ диапазона входного напряжения U,, на основном участке диапазона функция линейна с высокой точностью
за исключением граничных зон, вблизи которых устанавливаются предельные значения γ (0 или 1).
Линейная аппроксимация исходной кривой (рисунок 3, линия 2), соответствует функции линейного преобразователя, определяемая формулой 2.
0
Для оценки функции преобразования γ сверху при проектировании ШИП проведем линию 0, соединяющую граничные значения у участков рабочей области преобразователя, крутизна К которой несколько выше, чем крутизна К исходной кривой 1 на ее линейном участке, и определяется соотношением:
0
у
в
н
Например, значение К (5) при соотношении R/R=1 составляет 0,125 1/В, а точное значение К, полученное по формуле (4), равно 0,107 1/В, то есть завышение оценочного значения К составляет не более 17%, что вполне приемлемо при предварительных расчетах схемы. Эти значения получены при экспериментальной проверке преобразователя, выполненного на КМОП-микросхеме типа КР561ТЛ1 (четыре триггера Шмитта), для напряжении питания Uп=6 В, U=3,7 В, U=1,8 В, емкости конденсатора С=4700 пФ.
вх.
у
у
0
у
0
Диапазон входного напряжения, при котором выполняется линейная зависимость γ от u, определяется соотношением R/R. Так, для отношения R/R=4 линейная зависимость на выходе 2 наблюдается в диапазоне входного сигнала от 5,5 В до 9 В, при этом γ=0,6, К=-0,05 1/В; а для отношения R/R=1 область линейной зависимости сужается до диапазона от 2,25 В до 2,7 В, при этом γ=0,75, К=-0,24 1/В.
у
Заметим, что диапазон линейной области для входного сигнала с уменьшением отношения R/R сужается при одновременном росте крутизны преобразования К.
Таким образом, зависимость (5) вполне пригодна при оценке коэффициента заполнения линейного ШИП.
2. В ряде практических случаев следует сместить диапазон входного напряжения в область более высоких напряжений. Из соотношения (3) видно, что для этого необходимо одновременно увеличить значения порогов срабатывания триггера Шмитта. Однако его пороги фиксированы. Данная задача может быть решена средствами, не затрагивающими фиксированные параметры триггера.
1
2
На рисунке 4 приведена схема смещения диапазона входного напряжения с помощью внешнего делителя напряжения на резисторах R, R.
1
2
в
н
в
н
1
1
При условии, что R+R>>R, вместо предельных порогов срабатывания триггера u и U подставляются новые значения, соответственно U  и U , а именно:
Для нахождения новых диапазонов входного напряжения подставим значения (6) в выражение (3) и получим:
1
2
Таким образом, диапазон входного напряжения смещается в область положительных значений пропорционально величине (1+R/R) с одновременным увеличением его ширины.
1
21
3. В ряде случаев требуется изменить только одну границу входного напряжения на линейном участке работы ШИП. Для этого в схему преобразователя (см.фиг.4) добавляется ключ 7-полевой транзистор с индуцированным затвором (см.фиг.5).При низком входном напряжении на вход триггера Шмитта подается логический 0, на выходе его образуется высокое напряжение, транзистор 7 открыт и верхний входной порог определяется отношением R и R делителя, т.е.аналогично (6):
1
Для высокого входного напряжения на входе триггера создается логическая 1, на выходе - низкое напряжение, транзистор запирается, делитель отключается, при этом нижний порог просто равен исходному порогу собственно триггера Шмитта. Сопротивление R не влияет на порог, поскольку КМОП-схемы имеют высокое входное сопротивление (изолированный затвор), тогда:
н
н
1
U =U
1
в
в
1
21
в,max
1
21
Если R>>R, то в формулу (3) следует подставить вместо U значение U(1+R/R)При этом верхняя граница U остается неизменной, а нижняя увеличивается в (1+R/R) раз, что изменяет область работы преобразователя.
Таким образом, новый диапазон входного напряжения установится в пределах:
4. Если необходимо изменение границ диапазона входного напряжения с двух сторон, можно использовать схему ШИП с двумя делителями и двумя ключами (см.фиг.6).
22
1
21
В схему на рисунке 5 добавляется резистор второго делителя R и ключ 8. При низком входном напряжении на вход триггера Шмитта подается логический 0, на выходе его образуется высокое напряжение, транзистор 7 открыт и верхний входной порог определяется отношением R и R делителя, т.е.аналогично (6):
1
22
Для высокого входного напряжения на входе триггера создается логическая 1, на выходе - низкое напряжение, транзистор 7 запирается, а транзистор 8 открывается, подключая делитель напряжения на сопротивлениях R и R, определяющий нижний порог триггера:
Таким образом, новый диапазон входного напряжения установится в пределах:
Источники информации
1. Ялышев А.У. и др. Время-импульсные блоки преобразования электрических сигналов для дифманометров-расходомеров «Сапфир-22». Сб. научных трудов. М.: НИИТеплоприбор, 1983.
2. Миронов А.А. Широтно-импульсный модулятор. Свидетельство на полезную модель RU 25231 U1, 2002.
3. Миронов А.А. Широтно-импульсный модулятор. Свидетельство на полезную модель RU 21097 U1, 2001.
4. Миронов А.А. Широтно-импульсный модулятор. Свидетельство на полезную модель RU 34827 U1, 2003.
5. Брага Ньютон С.135 радиолюбительских устройств на одной микросхеме. Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2007.