Время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения с функцией широтно-импульсной модуляции
TIME-PULSE UNIVERSAL INTEGRATING VOLTAGE CONVERTER WITH PULSE-WIDTH MODULATION FUNCTION

Изобретение относится к прецизионной импульсной электронике и может использоваться в электронных системах автоматического управления и регулирования, в телекоммуникационных системах и измерительной технике.
Известны время-импульсные преобразователи напряжения в частоту следования прямоугольных импульсов (ПНЧ), также называемые в электронике управляемыми генераторами импульсов и частотно-импульсными модуляторами. Известны время-импульсные преобразователи напряжения во время (ПНВ), точнее - во временной интервал (длительность импульсов или период их следования).
Схемотехника ПНЧ и ПНВ, анализ их функций преобразования, метрологических характеристик и особенностей практического использования широко представлены в технической литературе [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: «Энергоатомиздат», 1988. - 304 с, стр. 256; Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: «Радио и связь», 1985. - 304 с, стр. 133; Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: «Додека-ХХ1», 2005. - 528 с, стр. 199; Р. Граф Электронные схемы: 1300 примеров. - М.: «Мир», 1989. - 688 с, стр. 600; Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: «Энергоатомиздат», 1990. - 320 с, стр. 251].
Все ПНЧ и ПНВ, описанные в вышеперечисленных и других технических изданиях, объединяет одинаковый принцип действия -двухтактное интегрирование, использование интегратора на операционном усилителе и компаратора напряжения (однопорогового или регенеративного двухпорогового).
Среди многочисленных известных схемотехнических вариантов ПНЧ следует выделить ПНЧ двухтактного интегрирования с заданным одним тактом посредством одновибратора, содержащего два источника стабильного тока и источник стабильного опорного напряжения, отличающегося высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, что обусловило его промышленное производство в виде отечественной интегральной микросхемы (ИМС) К1108ПП1 (зарубежные аналоги - VFC-32 и другие).
Среди многих известных вариантов реализации ПНВ выделяется преобразователь двухтактного интегрирования с заданным одним тактом с помощью счетчика импульсов и генератора тактовых импульсов, который лежит в основе отечественных ИМС интегрирующих аналого-цифровых преобразователей К572ПВ2, К572ПВ5 и К572ПВ6 (зарубежные аналоги - ICL7107, ICL7135 и другие).
Известные ПНЧ и ПНВ имеют недостаток, заключающийся в том, что они могут выполнять только один вид преобразования входного напряжения, который реализуется данным электронным изделием.
Наиболее близким по технической сущности (схемотехнике и принципу действия) и достигаемому результату является время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения [патент на изобретение №2689805, 29.05.2019, бюл. №16, МПК-Н03К 3/13], состоящий из интегратора, двухпорогового регенеративного компаратора, выполненных на операционных усилителях, и четырехканального аналогового коммутатора и двух повторителей напряжения, каждый из которых может функционировать как инвертирующий, так и неинвертирующий повторитель напряжения в зависимости от состояния двухпорогового регенеративного компаратора.
Названный выше время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь напряжения предназначен для реализации как функции ПНЧ, так и функции ПНВ, причем, с возможностью одновременного выполнения арифметической операции деления, и является прототипом заявленного интегрирующего преобразователя.
Однако, этот интегрирующий преобразователь нельзя называть в полной мере универсальным, так как он не выполняет операцию широтно-импульсного преобразования напряжения, называемую в электронике широтно-импульсной модуляцией. Широтно-импульсные модуляторы (ШИМ) - очень востребованные время-импульсные устройства электроники.
Задачей изобретения является полная универсализация время-импульсного универсального интегрирующего преобразователя (УИП).
Технический результат - значительное расширение функциональных возможностей УИП за счет того, что заявленный универсальный интегрирующий преобразователь с функцией ШИМ (УИП-ШИМ) может выполнять все три вида важнейших функций преобразования в электронике: преобразование входного напряжения в частоту следования выходных прямоугольных импульсов, во временной интервал, в скважность следования импульсов и все эти виды преобразования с одновременным выполнением арифметической операции деления, причем, без изменения электрической схемы УИП-ШИМ и без использования в ней источников стабильного тока и (или) источника стабильного опорного напряжения.
Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что во время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь с функцией ШИМ, состоящий из интегратора и двухпорогового регенеративного компаратора, выполненных на операционных усилителях, аналогового четырехканального коммутатора и двух повторителей напряжения, каждый из которых может функционировать как инвертирующий, так и неинвертирующий повторитель напряжения в зависимости от состояния двухпорогового регенеративного компаратора, введен третий вход, служащий для выбора функций преобразования входных напряжений: если две клеммы этого входа разомкнуты, то осуществляется преобразование входного напряжения в частоту следования выходных прямоугольных импульсов или во временной интервал, если же клеммы замкнуты перемычкой, то сигнальная клемма первого входа через резистор соединяется с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора и реализуется функция широтно-импульсной модуляции входного напряжения с арифметической операцией деления или без нее.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.
вх.1
вх.2
На фиг. 1 представлена электрическая схема УИП-ШИМ, включающая в себя четырехканальный аналоговый коммутатор DA1, операционные усилители (ОУ) DA2 и DA3, включенные по схеме повторителей напряжения, операционные усилители DA4 и DA5, на которых реализованы соответственно двухпороговый неинвертирующий регенеративный компаратор и инвертирующий интегратор напряжения, и три входа схемы, необходимые для подключения двух входных напряжений U, U и перемычки Z к клеммам 1 и 2 третьего входа.
вх.2
вх.1
вх.1
вх.2
вх.2
вх.1
Третий вход служит для выбора режима работы УИП-ШИМ. Если перемычка Z не подключена к Вх.3, то УИП-ШИМ выполняет преобразование отношения входных напряжений U/U в частоту следования выходных прямоугольных импульсов или отношения U/U во временной интервал (в длительность выходных импульсов или в период их следования). Если перемычка Z включена между клеммами 1 и 2 третьего входа, УИП-ШИМ осуществляет широтно-импульсную модуляцию частного от деления U/U.
инт
вых
1
4
На фиг. 2 и фиг. 3 представлены временные диаграммы выходного напряжения интегратора U(t), выходного напряжения УИП-ШИМ U(t), пороговые напряжения  и  двухпорогового регенеративного компаратора на ОУ DA4, и таблица состояния ключей S-S аналогового коммутатора DA1 на первом и втором тактах интегрирования входного напряжения интегратора.
вх.1
вх.2
1
4
1
3
4
6
1
4
Рассмотрим принцип действия и функции преобразования УИП-ШИМ, предполагая, что внутреннее сопротивление источников входных сигналов U и U и остаточное сопротивление замкнутых ключей S-S пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлениями R, R, R и R. Пренебрежем также током утечки разомкнутых МДП-ключей S-S интегрального коммутатора DA1 и сдвигом нуля (разбалансом) операционных усилителей DA2 - DA5.
Все эти факторы могут учитываться в процессе настройки реального УИП-ШИМ на основе требований технического задания.
1
2
3
4
5
6
1
3
2
4
2
1
5
4
1
3
2
4
На ОУ DA3 и DA4 построены повторители напряжения. Если сопротивления R=R=R=R=R=R, то при замкнутых МДП-ключах S и S (S, S - разомкнуты), как это показано на фиг. 1, получаем инвертирующие повторители (K=-R/R=-R/R=-1). Когда ключи S и S разомкнуты, а ключи S, S будут замкнуты повторители напряжения становятся неинвертирующими.
1
3
2
4
упр
Обе пары ключей четырехканального коммутатора DA1 управляются выходными импульсами регенеративного компаратора на операционном усилителе DA4. Диод VD1 обеспечивает однополярность выходных импульсов. Коммутатор DA1 имеет нормально разомкнутые ключи S и S и нормально замкнутые ключи S и S. Это же состояние компаратора наблюдается при отрицательном выходном напряжении компаратора на ОУ DA4 (сигнал управления А - логический нуль).
упр
1
3
2
4
упр
1
3
2
4
вх.1
Пороги срабатывания компаратора зависят от состояния коммутатора DA1. Если на выходе УИП-ШИМ действует высокий потенциал положительной полярности (сигнал управления коммутатором А - логическая единица), то S и S - замкнуты, S и S - разомкнуты. Когда на выходе операционного усилителя DA4 напряжение отрицательно, и выходное напряжение УИП-ШИМ близко к нулю (А - логический нуль), ключи коммутатора S и S - разомкнуты, ключи S и S - замкнуты. Значит, двухпороговый компаратор на операционном усилителе DA4 имеет управляемые входным напряжением U пороги срабатывания:
3
4
вх.2
3
4
вх.2
упр
3
4
Инвертирующий интегратор на ОУ DA5 в зависимости от состояния ключей S и S интегрирует или положительное напряжение U, когда S разомкнут, S замкнут или отрицательный входной сигнал - U, если высокое напряжение (А - логическая единица) на управляющем входе коммутатора DA1 (выходе УИП-ШИМ) обеспечивает состояние ключ S -замкнут, S - разомкнут.
вых
инт
Рассмотрим первый режим работы УИП-ШИМ, когда перемычка Z не подключена к клеммам 1 и 2 третьего входа, пользуясь диаграммами напряжений U(t) и U(t), представленными на фиг. 2.
1
3
2
4
1
вх.1
2
вх.2
инт
1
1
3
2
4
1
2
вх.2
2
При включении напряжений питания ОУ УИП-ШИМ начинается не рабочий (подготовительный) такт (на фиг. 2 - НТ), на выходе ОУ DA4 будет положительное напряжение , которое обусловит состояния ключей: S и S замкнуты, S и S разомкнуты. Тогда U=-U и устанавливается порог срабатывания компаратора ; на входе интегратора U=-U, и на его выходе напряжение U будет возрастать до тех пор, пока оно не достигнет порога . При этом на выходе УИП-ШИМ напряжение положительно  (логическая «1»). В момент времени t компаратор «опрокинется», на его выходе установится отрицательное напряжение , низкий потенциал на выходе УИП-ШИМ (логический «0») вызовет изменение состояния коммутатора, он переключится в состояние: S и S - разомкнуты, S и S - замкнуты. С этого момента времени (t) начинается первый такт интегрирования напряжения U=+U, выходное напряжение интегратора начнет убывать. Этот процесс будет продолжаться до момента времени t, когда напряжение на выходе интегратора достигнет порога
1
2
1
Интервал времени T=t - t описывается уравнением:
решая которое, получаем длительность первого такта
и
10
1
где τ=RC - постоянная времени интегратора.
2
1
3
2
4
2
вх.2
3
В момент времени t компаратор срабатывает. Его выходное положительное напряжение (логическая «1») вызывает замыкание ключей S, S и размыкание ключей S, S. Автоматически устанавливаются порог срабатывания  и входное напряжение интегратора U=-U. Начинается второй такт интегрирования (процесс разинтегрирования напряжения ). Он заканчивается в момент времени t, когда будет выполнено условие:
Второй такт работы преобразователя подчиняется уравнению:
из которого находим длительность второго такта
вх.1
вх.2
Видим, что длительности первого и второго тактов всегда равны и пропорциональны частному от деления U на U. Это же относится к периоду следования импульсов на выходе УИП-ШИМ:
вых
Частота выходного импульсного напряжения U
Из формул (1), (2), (3) и (4) следуют выводы:
вх.2
0
1. УИП может использоваться как ПНВ, если принять U=U.
Тогда
0
где U - заданное внешнее опорное напряжение.
вх.1
0
2. УИП-ШИМ может функционировать как ПНЧ, установив U=U.
Тогда
1
2
1
2
3. УИП-ШИМ можно использовать как аналоговый делитель с представлением частного от деления в виде интервалов времени Т, Т, Т=Т+Т или частоты f выходного импульсного напряжения.
Итак, в первом режиме работы УИП-ШИМ, при котором перемычка Z не установлена между клеммами 1 и 2 третьего входа, эквивалентен прототипу (патент на изобретение №2689805).
Второй режим работы УИП-ШИМ имеет место, когда перемычка Z на Вх.3 замыкает клеммы 1 и 2, и он реализует функцию широтно-импульсного модулятора.
1
1
1
3
2
4
1
вх.1
вх.1
вх.2
2
Первый такт интегрирования начинается в момент времени t, после завершения нерабочего такта (НТ, фиг. 3) от момента включения электропитания съемы (t=0) до момента t срабатывания компаратора на ОУ DA4, в котором четырехканальный коммутатор DA1 переключается в состоянии: S, S - выключены; S, S - включены. Следовательно, в первом такте устанавливается отрицательный по полярности порог срабатывания регенеративного компаратора на ОУ DA4 , где U=U, и интегратор интегрирует сумму входных напряжений U+U. Этот процесс интегрирования заканчивается в момент времени t, при котором выходное напряжение интегратора достигает отрицательного порога срабатывания компаратора
вх.1
вх.2
В первом такте функционирования преобразователя выходное напряжение Uвых УИП-ШИМ низкое, соответствующее логическому нулю, и процесс интегрирования суммы входных напряжений U+U описывается уравнением:
10
11
если считать R=R.
Из этого уравнения находится длительность первого такта
2
вых
1
3
2
4
вх.1
вх.2
3
2
2
Второй такт интегрирования начинается в момент времени t, когда двухпороговый компаратор срабатывает, выходное напряжение преобразователя U становится высоким (соответствует уровню логической единицы), что вызывает изменение состояния коммутатора DA1: ключи S, S - включены; S, S - выключены. Значит, порог срабатывания компаратора устанавливается положительным , и интегратор интегрирует разность входных напряжений U - U, и его выходное напряжение увеличивается от уровня  до положительного значения за интервал времени t - t, то есть за время длительности второго такта T.
Значит, второй такт интегрирования алгебраической разности двух входных напряжений характеризуется уравнением:
из которого находится длительность второго такта
Период следования выходных импульсов
2
Скважность следования выходных импульсов S найдется в виде отношения Т/Т или
вх.2
вх.1
вх.2
вх.1
откуда следует, что рассматриваемая схема представляет собой широтно-импульсный модулятор частного от деления U/U. Так как 0<S<1, то следует принять во внимание ограничение: U<U
Функция широтно-импульсного модулятора примет вид (как показано на фиг. 4):
вх.1
0
0
если U=U, то есть оно является внешним опорным напряжением U. Необходимо отметить:
упр
вх.1
вх.2
во-первых, если в качестве аналогового коммутатора использовать интегральный коммутатор металлокисел-полупроводниковой структуры, то сигнал управления А не будет искажать процессы прохождения входных напряжений УИП-ШИМ U и U на входы повторителей напряжения на ОУ DA2 и DA3;
во-вторых, на входе интегратора на ОУ DA5 нет никаких коммутационных элементов, значит, коммутационные переходные процессы не могут иметь возможности влиять на интегрирование выходных напряжений интегратора;
в-третьих, в УИП-ШИМ не содержатся ни опорные источники стабильного тока, ни опорные источники стабильного напряжения, что способствует повышению стабильности функций преобразователя УИП-ШИМ, а напряжение U0 при реализации режимов работы ПНЧ, ПНВ и ШИМ в состав УИП-ШИМ не входит;
в-четвертых, анализ погрешностей преобразования УИП-ШИМ показывает, что нестабильность порогов срабатывания компаратора  из-за температурного дрейфа выходного напряжения ОУ DA4 и сдвига нуля выходного напряжения ОУ DA5, и его дрейф по температуре не оказывают влияние на точность преобразования УИП-ШИМ во всех режимах функционирования;
1
2
1
4
в-пятых, в качестве выходного параметра УИП, функционирующего в режиме работы ПНВ, предпочтительно использовать период выходного импульсного напряжения, но не длительности тактов интегрирования T и T, так как нестабильность остаточного сопротивления включенных ключей коммутатора S-S по температуре пренебрежимо слабо влияет на погрешность УИП-ШИМ, работающего в режиме ПНВ, когда выходным параметром является период следования импульсов;
1
4
в-шестых, температурная нестабильность тока утечки разомкнутых ключей S-S коммутатора DA1 в виде ИМС МОП-типа пренебрежимо мало влияет на температурную нестабильность УИП-ШИМ в любом режиме функционирования.
Итак, заявленный время-импульсный универсальный интегрирующий преобразователь с функцией широтно-импульсной модуляции может осуществлять преобразование входного напряжения, во-первых, в частоту следования выходных импульсов или во временной интервал, во-вторых, в скважность следования выходных прямоугольных импульсов, или все эти три вида преобразования с одновременным выполнением арифметической операции деления, причем, без изменения электрической схемы УИП-ШИМ и без использования в ней источника стабильного тока и (или) источника стабильного опорного напряжения.