ЦИФРОВОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР
DIGITAL PULSE-WIDTH MODULATOR

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в ключевых усилителях мощности.
Наиболее близким по технической сущности является цифровой широтно-импульсный модулятор (см. авторское свидетельство СССР №1748241, опубл. 15.07.1992, Бюл. №26), содержащий генератор прямоугольных импульсов, два счетчика, счетный триггер, триггер знака, шесть элементов ИЛИ, четыре триггера, инвертор, шесть элементов И, четыре мультиплексора, восемь формирователей импульсов, схему ограничения и схему сброса.
Недостатком наиболее близкого цифрового широтно-импульсного модулятора является сложность его технической реализации.
Технический результат достигается тем, что цифровой широтно-импульсный модулятор, содержащий генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, счетный триггер, триггер знака, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой элементы ИЛИ, первый и второй триггеры, инвертор, первый, второй и третий элементы И, первый и второй формирователи импульсов, первый, второй, третий и четвертый мультиплексоры, схему ограничения и схему сброса, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ и первым входом первого счетчика, выход которого соединен с первыми входами счетного триггера, третьего и четвертого элементов ИЛИ и первого элемента И, вторые входы первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера знака, первый вход которого соединен с шиной знака, а второй вход - с выходом инвертора, выходы первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с первым и вторым входами второго счетчика, третий вход которого соединен с выходом схемы ограничения, первый и второй входы схемы ограничения соединены соответственно с шиной входного сигнала и шиной знака, второй вход первого счетчика соединен с общей шиной, выход первого элемента И соединен с третьим входом первого счетчика, четвертым входом второго счетчика и входом инвертора, выход второго счетчика соединен с первыми входами пятого и шестого элементов ИЛИ, прямой выход счетного триггера соединен с вторыми входами третьего и пятого элементов ИЛИ, инверсный выход счетного триггера соединен с вторыми входами четвертого и шестого элементов ИЛИ, выход пятого элемента ИЛИ соединен с первым входом первого триггера, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, выход шестого элемента ИЛИ соединен с первым входом второго триггера, второй вход которого соединен с выходом третьего элемента И, выход схемы сброса соединен с вторыми входами счетного триггера и первого элемента И и первыми входами второго и третьего элементов И, прямой выход триггера знака соединен с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого мультиплексоров, прямой выход первого триггера соединен с вторым входом первого мультиплексора, прямой выход второго триггера соединен с вторым входом третьего мультиплексора, выходы первого, второго, третьего и четвертого мультиплексоров соединены соответственно с первой, второй, третьей и четвертой выходными шинами, дополнительно оснащен первым и вторым элементами И-НЕ, причем выход пятого элемента ИЛИ соединен с первым входом первого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, выход шестого элемента ИЛИ соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего элемента И, инверсный выход первого триггера соединен с третьим входом первого мультиплексора и вторым входом второго мультиплексора, прямой выход первого триггера соединен с третьим входом второго мультиплексора, выход первого элемента И-НЕ соединен с входом первого формирователя импульсов, выход которого соединен с четвертыми входами первого и второго мультиплексоров, инверсный выход второго триггера соединен с третьим входом третьего мультиплексора и вторым входом четвертого мультиплексора, прямой выход второго триггера соединен с третьим входом четвертого мультиплексора, выход второго элемента И-НЕ соединен с входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с четвертыми входами третьего и четвертого мультиплексоров, пятые входы первого, второго, третьего и четвертого мультиплексоров соединены с шиной блокировки.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет упростить конструкцию цифрового широтно-импульсного модулятора.
На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового широтно-импульсного модулятора, на фиг. 2 - функциональная схема схемы ограничения, на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства.
Цифровой широтно-импульсный модулятор (фиг. 1) содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, счетчики 2 и 3, счетный триггер 4, триггер 5 знака, элементы ИЛИ 6, 7, 8, 9, 10 и 11, триггеры 12 и 13, инвертор 14, элементы И 15, 16 и 17, элементы И-НЕ 18 и 19, формирователи 20 и 21 импульсов, мультиплексоры 22, 23, 24 и 25, схему 26 ограничения и схему 27 сброса, выходные шины 28, 29, 30 и 31, шину 32 входного сигнала, шину 33 знака и шину 34 блокировки. Выход генератора 1 прямоугольных импульсов соединен с первыми входами элементов ИЛИ 6 и 7 и первым входом счетчика 2, выход которого соединен с первыми входами счетного триггера 4, элементов ИЛИ 8 и 9 и элемента И 15. Вторые входы элементов ИЛИ 6 и 7 соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера 5 знака, первый вход которого соединен с шиной 33 знака, а второй вход - с выходом инвертора 14. Выходы элементов ИЛИ 6 и 7 соединены соответственно с первым и вторым входами счетчика 3, третий вход которого соединен с выходом схемы 26 ограничения. Первый и второй входы схемы 26 ограничения соединены соответственно с шиной 32 входного сигнала и шиной 33 знака. Второй вход счетчика 2 соединен с общей шиной. Выход элемента И 15 соединен с третьим входом счетчика 2, четвертым входом счетчика 3 и входом инвертора 14. Выход счетчика 3 соединен с первыми входами элементов ИЛИ 10 и 11. Прямой выход счетного триггера 4 соединен с вторыми входами элементов ИЛИ 8 и 10. Инверсный выход счетного триггера 4 соединен с вторыми входами элементов ИЛИ 9 и 11. Выход элемента ИЛИ 10 соединен с первым входом триггера 12, второй вход которого соединен с выходом элемента И 16. Выход элемента ИЛИ 11 соединен с первым входом триггера 13, второй вход которого соединен с выходом элемента И 17. Выход схемы 27 сброса соединен с вторыми входами счетного триггера 4 и элемента И 15 и первыми входами элементов И 16 и 17. Прямой выход триггера 5 знака соединен с первыми входами мультиплексоров 22, 23, 24 и 25. Прямой выход триггера 12 соединен с вторым входом мультиплексора 22. Прямой выход триггера 13 соединен с вторым входом мультиплексора 24. Выходы мультиплексоров 22, 23, 24 и 25 соединены соответственно с выходными шинами 28, 29, 30 и 31. Выход элемента ИЛИ 10 соединен с первым входом элемента И-НЕ 18, второй вход которого соединен с выходом элемента И 16. Выход элемента ИЛИ 11 соединен с первым входом элемента И-НЕ 19, второй вход которого соединен с выходом элемента И 17. Инверсный выход триггера 12 соединен с третьим входом мультиплексора 22 и вторым входом мультиплексора 23. Прямой выход триггера 12 соединен с третьим входом мультиплексора 23. Выход элемента И-НЕ 18 соединен с входом формирователя 20 импульсов, выход которого соединен с четвертыми входами мультиплексоров 22 и 23. Инверсный выход триггера 13 соединен с третьим входом мультиплексора 24 и вторым входом мультиплексора 25. Прямой выход триггера 13 соединен с третьим входом мультиплексора 25. Выход элемента И-НЕ 19 соединен с входом формирователя 21 импульсов, выход которого соединен с четвертыми входами мультиплексоров 24 и 25. Пятые входы мультиплексоров 22, 23, 24 и 25 соединены с шиной 34 блокировки.
Генератор 1 прямоугольных импульсов может быть выполнен, например, на микросхеме 155ЛА3 с кварцевой стабилизацией или с времязадающим конденсатором. Счетчики 2 и 3 могут быть реализованы, например, на микросхемах К555ИЕ7. Счетный триггер 4, триггер 5 знака и триггеры 12 и 13 могут быть выполнены на микросхемах К555ТМ2. Элементы 6, 7, 8, 9, 10 и 11 ИЛИ могут быть реализованы на микросхеме К555ЛЛ1, инвертор 14 - на микросхеме К555ЛН1, а элементы 15, 16 и 17И - на микросхеме К555ЛИ1. Элементы 18 и 19 И-НЕ могут быть выполнены на микросхеме К555ЛА3, формирователи 20 и 21 импульсов - на микросхеме К555АГ3, а мультиплексоры 22, 23, 24 и 25 - на микросхемах К531КП2.
Схема 26 ограничения (фиг. 2) содержит, например, группу 35 элементов ИЛИ, группу 36 элементов И, элемент 37 И-НЕ, элементы 38 и 39 ИЛИ, элемент 40 ИЛИ-НЕ и инвертор 41.
В зависимости от величины, на которой должен быть ограничен входной сигнал, n-разрядные входы шины 32 разбиваются на две группы: с 1 до (n-m) и с (n-m+1) до n, причем m<n. Первая группа разрядов - с 1 до (n-m) - соединена с первыми входами группы 35 элементов ИЛИ, выходы которых соединены с первыми входами группы 36 элементов И, выходы которых являются (n-m) младшими разрядами выхода схемы 26 ограничения. Вторая группа разрядных входов шины 32 - с (n-m+1) по n - являются соответствующими разрядами выхода схемы 26 ограничения. Они соединены с m входами элемента 37 И-НЕ и элемента 38 ИЛИ. Выход элемента 37 И-НЕ соединен с первым входом элемента 39 ИЛИ, выход которого соединен со вторыми входами группы 36 элементов И. Выход элемента 38 ИЛИ соединен с первым входом элемента 40 ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с выходом инвертора 41, а выход - со вторыми входами группы 35 элементов ИЛИ. Второй вход элемента 39 ИЛИ и вход инвертора 41 соединены с шиной 33 знака.
Схема 27 сброса, например, может быть выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, причем второй вывод резистора присоединяется к шине питания, а второй вывод конденсатора - к общей шине. Вывод сопротивления, соединенный с конденсатором, является выходом схемы 27 сброса.
Цифровой широтно-импульсный модулятор работает следующим образом.
После включения напряжения питания схема 27 сброса формирует сигнал, который устанавливает в исходное состояние счетный триггер 4 и через элементы 16 и 17 И триггеры 12 и 13, через элемент 15 И стробирует счетчики 2 и 3, а также через инвертор 14 - триггер 5 знака. При этом входной сигнал, пройдя через схему 26 ограничения, записывается в прямом (при положительном знаке сигнала) или дополнительном (при отрицательном знаке сигнала) коде в счетчик 3, а код знака этого сигнала записывается в триггер 5 знака.
0
В зависимости от знака входного сигнала импульсы генератора 1 с частотой f (фиг. 3а) проходят либо через элемент 6 ИЛИ (знак положительный), либо элемент 7 ИЛИ (знак отрицательный) и поступают соответственно либо на вход обратного счета, либо на вход прямого счета счетчика 3. В зависимости от величины N входного сигнала на выходе переноса счетчика 3 через промежуток времени
после начальной установки (стробирования) появится отрицательный импульс (фиг. 3б). Этот импульс через элемент 10 ИЛИ поступает на вход установки триггера 12. При этом на инверсном выходе триггера 12 появляется сигнал низкого уровня (фиг. 3в), который поступает на первый вход мультиплексора 23 и второй вход мультиплексора 22, а на прямом выходе триггера 12 появляется сигнал высокого уровня (фиг. 3г), который поступает на первый вход мультиплексора 22 и второй вход мультиплексора 23. Прямоугольные импульсы с генератора 1 поступают также на счетный вход счетчика 2. На выходе переноса счетчика 2 через промежуток времени
где n - количество разрядов двоичного счетчика,
после начальной установки появляется отрицательный импульс (фиг. 3д), который, пройдя через элементы 8 ИЛИ и 16 И, поступает на вход сброса триггера 12 и возвращает его в исходное состояние. Этот же импульс поступает на вход счетного триггера 4, устанавливает на его прямом выходе сигнал высокого уровня (фиг. 3е), и далее через элемент 15 И стробирует счетчики 2 и 3 и через инвертор 14 - триггер 5 знака, после чего процесс формирования выходных сигналов счетчиков 2 и 3 повторяется. При высоком уровне сигнала на прямом выходе счетного триггера 4 импульсы с выходов переноса счетчика 2 и 3 не проходят на входы установки и сброса триггера 12. Но при этом импульс с выхода переноса счетчика 3 через элемент 11 ИЛИ поступает на вход установки триггера 13. Тогда на инверсном выходе триггера 13 появляется сигнал низкого уровня (фиг. 3ж), который поступает на первый вход мультиплексора 25 и второй вход мультиплексора 24, а на прямом выходе триггера 13 появляется сигнал высокого уровня (фиг. 3з), который поступает на первый вход мультиплексора 24 и второй вход мультиплексора 25. Импульс с выхода переноса счетчика 2 через элементы 9 ИЛИ и 17 И поступает на вход сброса триггера 13 и возвращает его в исходное состояние. Импульсы, приходящие на входы установки и сброса триггера 12, поступают через элемент 18 И-НЕ на формирователь импульсов 20, который формирует импульс определенной длины (фиг. 3и), блокирующий работу мультиплексоров 22 и 23. Аналогично импульсы, приходящие на входы установки и сброса триггера 13, поступают через элемент 19 И-НЕ на формирователь импульсов 21, который формирует импульс определенной длины (фиг. 3к), блокирующий работу мультиплексоров 24 и 25. В результате, если на шине 34 блокировки присутствует разрешительный уровень сигнала, то при положительном знаке входного сигнала на выходах мультиплексоров 22, 23, 24 и 25 и соответственно на выходных шинах 28, 29, 30 и 31 формируются выходные сигналы (фиг. 3л, м, н, о). Таким образом, на выходе цифрового широтно-импульсного модулятора получены четыре попарно-противоположные последовательности импульсов с раздвижкой фронтов, сдвинутых попарно на 180 электрических градусов и имеющих скважность (без учета раздвижки фронтов)
Это позволяет управлять с помощью цифрового широтно-импульсного модулятора силовым транзисторным мостом в несимметричном режиме, причем скважность импульсов на нагрузке транзисторного моста будет равна
Таким образом, предложенный цифровой широтно-импульсный модулятор позволяет выполнять те же функции, что и прототип, при значительном упрощении устройства.