Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема

Программируемый интерполятор широтно-импульсно модулированного сигнала

Введение

Широтно-импульсная модуляция - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так:

,

где x (t) - желаемый входной сигнал в пределе от t1 до t2, а ?Ti - продолжительность i - го ШИМ импульса, каждого с амплитудой A. ?Ti подбирается таким образом, что суммарные площади (энергии) обеих величин приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени, равны также и средние значения величин за период:

.

Управляемыми "уровнями", как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей регуляторов постоянного напряжения/или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x (t) = Uconst стабилизации.

ШИП - широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИМ - высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).

При широтно-импульсной модуляции в качестве несущего колебания используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов, а информационным параметром, связанным с дискретным модулирующим сигналом, является длительность этих импульсов. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности имеет постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов, то есть прямо пропорциональную их длительности. Пропустив импульсы через ФНЧ с частотой среза, значительно меньшей, чем частота следования импульсов, эту постоянную составляющую можно легко выделить, получив постоянное напряжение. Если длительность импульсов будет различной, ФНЧ выделит медленно меняющееся напряжение, отслеживающее закон изменения длительности импульсов.

ШИМ использует транзисторы (могут быть и др. элементы) не в активном (правильнее будет сказать - линейном), а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи не течёт, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, то есть КПД=0%, в абсолютном выражении выделяемая на транзисторе мощность равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю - выделяемая мощность так же мала.

Обзор литературы

В качестве интерполятора ШИМ-сигнала будем разрабатывать генератор линейно-изменяющегося напряжения.

Импульсы напряжения пилообразной формы могут быть как положительной, так и отрицательной полярности. На рисунке 1 показана реальная форма пилообразного импульса положительной полярности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Важнейшим параметрами пилообразных импульсов являются: длительность прямого (рабочего) хода tпр, длительность обратного хода tобр, период повторения Т, амплитуда импульса Um. Поскольку строго линейный закон изменения напряжения U(t) получить невозможно, степень отклонения этого напряжения от линейного закона характеризует закон нелинейности:

е=

Где |u`(t)|t=0 и | u`(t)| t=tпр - соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода.

Существующая литература по генераторам линейно-изменяющегося напряжения весьма многочисленна и может быть разделена на три группы.

1. Учебно-справочная литература по импульсной технике, в которой описаны лишь основные классические схемы генераторов линейно-изменяющегося напряжения чаще всего ориентированные в основном на устаревшую элементную базу и характеризующуюся узкими функциональными возможностями.

2. Научно-техническая литература, в которой в которой рассматриваются генераторы линейно-изменяющегося напряжения специального применения, например, в телевидении.

3. Периодические издания, описания к авторским свидетельствам и патентам, другие узко специализированная литература, пользование которыми затруднено.

Генераторы линейно - изменяющегося напряжения называют иногда генераторами развёртки, хотя этот термин не отражает их гораздо более широкого применения. Из области разверток заимствованы названия двух основных частей пилообразного импульса: прямой ход (главный, почти линейный участок t п ) и обратный ход (сравнительно короткий участок t о, форма которого обычно несущественна).

Пилообразное напряжение это такое напряжение, которое нарастает или спадает линейно в течение некоторого отрезка времени, называемого временем рабочего хода tо достигает первоначального значения. Такое напряжение используется устройствах сравнения, для горизонтальной развёртки электронного луча в электронно-лучевой трубке в других устройствах. Возврат луча в исходное положение должен происходить, возможно, быстрее, вследствие чего спадающий участок пилообразного напряжения должен иметь большую крутизну и малую продолжительность. В учебном пособии для вузов “Электроника” есть широкий выбор схем, рассмотрены основы теории электронных схем. В этом учебном пособии была представлена схема ГЛИН, изображенная на рисунке 2.

Рис. 2 - Схема генератора линейно-изменяющегося напряжения.

Недостатком такой простейшей схемы является то, что при заданном значении коэффициента нелинейности и даже сравнительно небольшом выходном напряжении Um напряжение питания получается весьма большим, а коэффициент использования напряжения - малым.

При повышенных требованиях к линейности выходного напряжения схему ГЛИН приходится существенно усложнять. При этом можно выделить следующие типовые способы линеаризации выходного напряжения:

1) Применение в интегрирующей цепи вместо резистора нелинейного токостабилизирующего элемента.

2) Применение следящей обратной связи по напряжению.

3) Применение емкостной обратной связи по напряжению между выходными и входными электродами усилительного элемента.

Генераторы со стабилизацией тока. В качестве токостабилизирующих элементов в таких генераторах используют биполярные транзисторы или преобразователи напряжение-ток, выполненные на операционных усилителях.

Схема генератора с токостабилизирующим транзистором показана на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

От схемы, рассмотренной выше, она отличается тем, что вместо резистора Rк включен стабилизатор тока на транзисторе VT1.

Генераторы со следящей обратной связью по напряжению. Они основаны на том, что постоянный ток зарядки конденсатора можно обеспечить за счет непрерывного изменения напряжения, приложенного к зарядной цепи. Так, при зарядке конденсатора, увеличивается напряжение на нем, что приводит к уменьшению зарядного тока. Для обеспечения постоянного тока заряда необходимо ввести дополнительную э.д.с, которая бы компенсировала напряжение на конденсаторе.

Структурная схема такого генератора показана на рисунке 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Согласно принципам построения генераторов пилообразного напряжения структурная схема должна состоять из следующих элементов:

— токостабилизирующий элемент (ТСЭ), обеспечивающий постоянный во времени ток заряда конденсатора C.

— конденсатор С, на котором формируется линейно изменяющиеся напряжение.

— ключевое устройство (КУ), с помощью которого осуществляется переключение формирования прямого и обратного хода выходного напряжения.

— формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий импульсные сигналы управления ключевым устройством (задающий длительность рабочего хода и частоту следования выходных импульсов пилообразного напряжения).

— эмиттерный повторитель, согласующий большое сопротивление нагрузки ОУ с малым сопротивлением нагрузки генератора.

мультиплексор программируемый интерполятор

В результате будем рассматривать схему, изображенную на рисунке 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

До подачи управляющего импульса ивх (в исходном состоянии) в схеме открыты оба транзистора. При этом транзистор vT1 находится в активном режиме, а транзистор vT2 -- в режиме насыщения. Так как сопротивление rкэ насыщенного транзистора мало, сопротивление резистора Rк также выбирается возможно малым (во много раз меньше сопротивления транзистора vT1 постоянному току), то падение напряжения UКЭ2 =UКЭнас и IКRK невелики (не более 1--2 В), а падение напряжения на транзисторе vT1.

При поступлении на базу транзистора vT2 управляющего импульса положительной полярности Uвх>EК транзистор закрывается. Конденсатор начинает разряжаться через транзистор vT1. Разрядный ток конденсатора ic, равный току коллектора iк1 при постоянном токе эмиттера Iэ1 изменяется незначительно. Таким образом стабилизируется ток конденсатора ic. Его стабилизации способствуют также отрицательная обратная связь по току, осуществляемая при помощи резистора Rэ. Вследствие этого разрядный ток ic во время рабочего хода почти не изменяется, а напряжение uc = uвых изменяется по закону, близкому к линейному.

После окончания управляющего импульса uвх транзистор vT2 открывается и переходит в режим насыщения, конденсатор заряжается через насыщенный транзистор vT2 и резистор RK за время обратного хода.

Рассмотренный генератор обеспечивает при высокоомной нагрузке небольшой коэффициент нелинейности (около 0,5%), большой коэффициент использования напряжения (около 0,9), широкий диапазон длительности рабочего хода (от единиц до нескольких тысяч микросекунд) и небольшое время обратного хода, что является достоинством данного генератора. Его недостатками являются -- невысокая нагрузочная способность, необходимость иметь значительный управляющий импульс Uвх > Eк и отдельный источник питания Eэ.

Расчет схемы

Расчет генератора линейно-изменяющегося напряжения