Широтно-импульсный модулятор

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскии

Социалистических

Республик (I ) 1003330 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 280881 (21) 3331986/18-21 (g)j g 3

Н 03 К 7/08 с присоединением заявки М(23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 070383, Бюллетень М9 (Щ УДК 621. 376. .54(088.8) Дата опубликования описания 070383 (72) Авторы изобретения

В.У. Ки зилов и В. М. Мак симов

Харьковский ордена Ленина политехнический инс им. В.И. Ленина (71) Заявитель (54) ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различных измерительных и управляющих устройстваХ для преобразования разности двух аналоговых напряжений в несколько гальванически изолированных разнополярных широтно-модулированных сигналов, среднее значение которых пропорционально этой разности.

Известен широтно -импульсный -модулятор, содержащий операционный усилитель, трансформатор и резисторы(11

Недостатком этого модулятора является невозможность преобразования разности двух входных напряжений в широтномодулированный сигнал, а также низкая помехоустойчивость и большая потребляемая мощность от источника питания при снижении ве личины сопротивления резисторов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является широтно-импульсный модулятор, содержащий два операционных усилителя, трансформатор и резисторы, причем источник первого входного сигнала включен между общей шиной и одним иэ выводов йервой обмотки трансформатора, а источник второго входного сигнала включен параллельно второй обмотке трансформатора (23.

Недостаткам известного модулятора

5 является его сложность иэ-за наличия двух операционных усилителей и низкая помехоустойчивость из-за высокоомных делителей в цепях обратной связи усилителей. Снижение сопротивлений в делителях увеличивает потребляемую мощность, а помехоустойчивость почти не увеличивается °

Цель изобретения — упрощение конструкции и повышение помехоустойчивости устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в широтно-импульсный модулятор, содержащий трансформатор, первая обмотка которого соединена с первым источником входного сигнала, а первый вывод второй обмотки соединен через второй источник входного сигнала с общей шиной, и операционный усилитель, выход которого соеди- нен через первый резистор с неинвер» тирующим входом и первым выводом второго резистора, введен конденсатор, причем второй вывод второго, резистора, соединен с инвертирующим входом операцйонйого усилителя и

ЗО через конденсатор с первым выводом

1ООЗЗЗО второй обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с неин-. вертирующим входом операционного уси лителя.

На чертеже представлена принципиальная схема широтно-импульсного модулятора.

Устройство содержит операционный усилитель 1, трансформатор 2, с обмотками 3 — 5, конденсатор 6, источник 7 первого входного сигнала, резисторы 8 — 11, источник 12 второго входного сигнала. Источник 7 первого входного сигнала через резистор 11 соединен с обмоткой 3 трансформатора 2, источник 12 второго входного сигнала включен между общей шиной и обьединенными выводами конденсатора б и обмотки 4 трансформатора

2, другой вывод которой соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 1 и объединенными выводами резисторов 8 и 9, причем второй вывод резистора 8 соединен с выходом операционного усилителя 1, второй вывод резистора 9 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 1 и вторым выводом конденсатора 6, а обмотка 5.соединена с сопротивлением нагрузки — резистором 10

Широтно-импульсный модулятор работает следующим образом.

Пусть вначале напряжение источника 12 входного сигнала равно нулю, а вывод вторичной обмотки 4 подсо- . единен непосредственно к общей шине.

При подключении напряжения питания к операционнсму усилителю 1 он переходит в состояние насыщения, поскольку конденсатор б разряжен и .инвертирующий вход усилителя подключен к общей шине, а резистор 8, подключенный между неинвертирующим входом усилителя 1 и его выходом, образует цепь положительной обратной связи, которая и переводит усйлитель в насьпцение.

I< обмотке 4 трансформатора 2 прикладывается напряжение БН, полярность которого определяется полярностью напряжения 01„ насьпцения на выходе усилителя 1, а величина зависит от величин напряжения насыщениЯ 01н и напРЯжениЯ на РеэистоРе

8, которое определяется током, создаваемым источником 7 входного сигнала, током намагничивания i и током i6 перезаряда конденсатора б.

Под действием напряжения U сердечник трансформатора 2 перемагничивается и, когда он достигает насыцения, напряжение Бн резко падает и становится близким к нулю. Конденсатор б к этому моменту успевает зарядиться до некоторого напряжения полярность которого совпадает с полярностью напряжения U на обмотке 4. При насьпцении сердечника трансформатора 2 это напряжение прикладывается между инвертирующим и неинвертирующим входами усилителя 1, что приводит к переходу усилителя в.противоположное состояние насыщения и к перемагничиванию сердечника в противоположном направлении.

Необходимо отметить, что при изменении полярности напряжения насыщения Ц „ усилителя 1 полярность падения напряжения на резисторе 8, 5

10.определяемая напряжением U источника 7 входного сигнала, не изменяется.

Поэтому при одной полярности напряжения насьпцения сердечник перемагничивания суммарным напряжением насыщения операционного усилителя и падением напряжения на резисторе 8 от тока, создаваемого источником 7, а при другой полярности напряжения насыщения перемагничивание сердечника происходит под действием разности этих напряжений.

Падения напряжения на резисторе 8 от тока намагничивания i и тока перезаряда конденсатора б при перемагничивании в обоих напрявлениях вычитаются из напряжения насыщения.

Вследствие этого длительности t u перемагничивания сердечника в двух противоположных напрявлениях

30 будут различными и определяются следующими соотношениями:

Ф.1

3 8 6

4. ь

35 (1)

Э 8

U„-R ii

1н Sp к 2

2%ФФ5+Рв 1 И

1

3 8

-R i — — — О

1Н 8Р Щ

45 1 2

ide. должен быть равен

65 где U1 — напряжение насыщения усилителя 1; Фз — поток насыщения сердечника, 1 ц — ток намагничивания сердечника; W — число витков обмотки 3; И, — число витков обмотки 4; ток заряда конденсатора 6; .U — величина напряжения источника

7 входного сигнала; К8 — величина сопротивления резистора 8; R1 - величина сопротивления резистора 11.

Поскольку сре ;нее значение тока 1 через конденсатор, 6 за полный цикл работы широтно-импульсного мо60 дулятора должно быть равно нулю, то

1ОО333О

Из (1) определим относительную разность длительностей положительного t и отрицательного t2 импульсов напряжения на выходе усилителя 1 и на обмотках сердечника трансформатора 2

3 а — u

12, н R11

0 К (Ц

2 1 1н 8P

При управлении от токового источника 7 ь выражается следующим образом:

" 4 ()

+2+t1 и1Н "8 ) где i7 — величина тока источника 7 входного сигнала.

Как следует из (2) и (3). относительная разность длительностей импульсов С пропорциональна величине напряжения U или тока i источни7 ка 7 входного сигнала.

При напряжениях источников 7 и

12 входных сигналов, отличных от нуля, перемагничивание сердечника трансформатора 2 определяется напряжением U на обмотке 4, которое равняется алгебраической сумме напряжений насыщения усилителя 1, второго источника 12 входного сигнала и падения напряжения на резисторе 8, зависящего от величины напряжения первого источника 7 входного сигнала.

Относительная разность длительностей импульсов напряжения на выходе модулятора определяется в этом случае следующей зависимостью: з "а

Р 1 1г — — U +u г 1 ф 11 ( Ф.1 U — R81fс где U — величина напряжения вто- i

12 рого источника 12 входного сигнала.

Знак + в (4) определяется соглас-ным или встречным включением источников 7 и 12.

Как видно из (4), предлагаемое устройство может быть использовано как схема сравнения аналоговых сигналов с широтно-модулированным выходом, имеющим вйсокую. помехоустойчивость, в измерительных органах си.стем автоматики и релейной защиты в энергетике и других областях.

Если не требуется. гальванической изоляции источника входного сигнала от цепей схемы, более целесообразным является использование для управления широтно-импульсным модулятором второго источника 12 входного сигнала.

Из (4), положив U равным нулю, получим

12

U (5)

P.

Как следует из сравнения (2),(3) . и (5), точность преобразования входного сигнала при использовании источника 12 выше, поскольку исключается влияние временной и температурной нестабильности резисторов 8 и

11, а также, что не отражено в (2) и (3), выходного сопротивления уси- лителя 1 и сопротивления меди вторичной обмотки 4, а также значительно уменьшается влияние нелинейного характера изменения и нестабильности тока намагничивания i, поскольку влияние i в (5) можно значительно уменьшить, выбрав R8 достаточно малым, что нельзя сделать в (2), (3), где величина R8 определяет требуемый уровень выходной величины модулятора

Таким образом, предлагаемое устройство, как следует из приведенных соотношений, позволяет преобразовать аналоговые входные сигналы в относительную разность длительностей положительного и отрицательного импульсов напряжения, снимаемых с выхода операционного усилителя или с обмоток магнитного сердечника, и обеспечивает при этом увеличение точности за счет уменьшения влияния нестабильности сопротивлений элементов схемы и тока намагничивания, увеличения помехоустойчивости за счет подключения инвертирующего входа операционного усилителя к конденсатору, опорное напряжение на котором при воздействии импульсных помех изменяется слабо, и упрощение конструкции устройства за счет исключения

I одного усилителя.

Формула изобретения

Широтно-импульсный модулятор, со« держащий трансформатор, первая обмотка которого соединена с первым источником входного сигнала, а первый вывод второй обмотки соединен через второй источник входного сигнала с общей шиной, и операционный усилитель, выход которого соединен через первый резистор с неинвертирующим входом и первым выводом второго резистора, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения помехоустойчивости, в него введен конденсатор, причем второй вывод второго резистора соединен с инвертирующим входом опера- ционного усилителя и через конденса1003330 тор с первым выводом второй обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя.

Истонники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское

Р 801240, кл. Н свидетельство СССР

03 К 7/08, 05.04.79.

2. Авторское

Р 754665, кл. Н (прототип). с виде т ель ст во СССР

03 К 7/08, 03.08.78

Заказ 1589/45 Тираж 934 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал IIIIII "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель E. Борзов

Редактор В. Петраш Техред О. Неце Корректор М, Демчик