SU754665A1 - Многофункциональный широтно-импульсный модулятор 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в множительных устройствах, измерительных преобразователях активной и реактивной мощности, счетчиках электроэнергии, квадраторах.

Известен многофункциональный .широтно-импульсный модулятор (ШИМ), содержащий мультивибратор с магнитной обратной связью, управляемый операционным усилителем, причем в устройстве одна и.э выходных обмоток трансформатора мультивибратора соединена с резистором, другой конец которого подсоединен к выходу операционного усилител.я, к которому подсоединены резистор, другой конец которого подсоединен к источнику управляющего сигнала, и резистор, дру- 2θ гой конец которого подсоединен к средней точке переключателя, который соединен с одним из полюсов источника опорного напряжения, кроме того, трансформатор мультивибратора 25 содержит дополнительную обмотку управления, которая соединена с источником управляющего сигнала [ΐ] .

Недостатки известного ШИМ - наличие многообмоточного трансформа2

тора, что снижает его технологичность, приводит к увеличению индуктивности рассеяния и, следовательно, к повышению инструментальных погрешностей, переключение мультивибратора определяется параметрами транзисторов, что не позволяет Использовать полностью преимущества временной стабильности ферромагнитного сердечника по сравнению с емкостным интегратором, что особенно сказывается при использовании ШИМ в качестве частотного квадратора или квадратора с выходом по напряжению, необходимость в точном управляемом ключе, переключающем опорное напряжение на входе операционного усилителя; на входе операционного усилителя суммируются токи, а это увеличивает погрешность из-за наличия индуктивности рассеяния обмотки, определяющей действительную скорость перемагничивания сердечника.

Цель изобретения - упрощение схемы с одновременным улучшением метрологических характеристик, что повысит технологичность ее в производстве и надежность в эксплуатации, снизит стоимость и уменьшит габари754665

ты устройства, повысит точность преобразования.

Цель достигается тем, что в широтно-импульсный модулятор, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к делителю напряжения из двух резисторов, один из которых подключен к земляной шине, и магнитный сердечник с обмотками, введен дополнительный операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к делителю напряжения из двух резисторов, один из которых подключен к земляной шине, а другой соединен со вторым резистором делителя напряжения операционного усилителя и с выходом дополнительного операционного усилителя, причем неинвертируквдий вход дополнительного операционного усилителя через резистор подключен к земляной шине, а через одну из обмоток магнитного сердечника - с выходом операционного усилителя, инвертирующий вход которого через другую обмотку магнитного сердечника подключен к входной клемме, а нагрузка подключена либо к выходу дополнительного операционного усилителя, либо к дополнительной обмотке магнитного сердечника.

На чертеже представлена схема широтно-импульсного модулятора (ШИМ).

Модулятор содержит операциойные усилители (ОУ) 1 и 2, сердечник 3 с обмоткой 4, Другая обмотка 5 этого сердечника последовательно с источником входного сигнала \1_ЪК включена между инвертирующим входом ОУ 1 и землей. На сердечнике могут быть дополнительные выходные обмотки 6,7 для подключения нагрузки ( цепей управления ключами амплитудного модулятора множительного устройства, выпрямителя квадратора, триггера частотного квадратора). Делители на резисторах 8,9 и 10,11 включены между выходом 0/2 и землей, а общие точки делителей подключены к неинвертирующим входам ОУ 1 и 2. Инвертирующий вход ОУ 2 соединен с землей через резистор 12. На чертеже показаны цепи питания и коррекции ОУ, цепь стабилизации выходного напряжения ОУ 2.

Устройство работает таким образом.

нала

что

в предположении, Р₉

Вх тах

^Κθ ^{+ Κ}<5

5 -' сечение сердечника 3.

(1)

5

где

При постоянных Е и неизмен.ф ность скорости перемагничивания сердечника 3 обеспечивается изменением (по мере' насыщения сердечникз 3 и роста намагничивающего тока) напряжения на. выходе ОУ 1. Полярность напряжения на обмотках 4 и 5 в этот

15 такт работы ШИМ показана на чертеже так, как входной ток ОУ 1 очень мал, то ток обмотки 4 равен намагничивающему току сердечника 3, если обмотки 6 и 7 не₄ используются, или сум

20 ^ме намагничивающего тока и приведенных к обмотке 4 токов обмоток 6 и 7. По мере насыщения сердечника 3 ток обмотки 4 растет вместе с ростом намагничивающего тока и в некоторый

25 момент времени падение напряжения на К₁₂ превысит падение напряжения на К,, и компаратор на ОУ 2 переключится, что приведет к изменению знака напряжения на выходе ОУ 2 и напряжений на резисторах 9 и 11, а следова^1,0 тельно сердечник 3 будет перемагничиваться в обратном направлении со скоростью, определяемой соотношением.

35

40

50

(2)

По мере перемагничивания сердечника

3 намагничивающий ток и ток обмотки

4 уменьшится до нуля, изменит знак и будет расти до тех пор, пока напряжение на К |₂ не превысит по модулю напряжение на К _(| и тогда ОУ 2 переключится и начнется повторение цикла работы ШИМ.

Если положить, что изменение индукции при перемагничивании в одном направлении равно по модулю δ 8 _п и считать процесс установившимся, т.е. изменения индукции при перемагничивании в двух направлениях равны, то из (1) после интегрирования за время ί, первого такта ШИМ и из (2) после

Предполагаем ОУ идеальными, напряжение выхода ОУ 2 симметричным, стабильным и равным +Е, а полярность источника входного сигнала указана на чертеже без скобок. В этом случае скорость изменения индукции в сердечнике 3 определится при положительном напряжении на выходе ОУ 2 из закона Кирхггфа для контура, состоящего из резистора 9, входа ОУ 1, Обмотки 5 и источника входного сиг55

60

интегрирования за время .такта ШИМ, получим

У/₂5ДВ_П + .......’

ВТОРОГО

(-3)

кЕ-и

вх

(М

вх

где

Из (3)и (4) сразу же вытекает,

|что относительная разность длитель65

5

754665

6

ностей времен перемагничивания сер-¹ дечника 3 в двух направлениях

л ^ивх , ,

и =-г- (ς)

1, + ί₂ к-Е

пропорциональна входному сигналу ν_Βχ.

Из (5) однозначно следует необходимость тщательной стабилизации выходного напряжения компаратора Е. Обычно это осуществляется путем подключения к выходу ОУ 2 резистора, второй конец которого подключен к делителям на резисторах 8-9 и 10-11 и на землю через последовательно и встречно включенные стабилитроны.

Так как соотношения для интервалов времени ци 1₂ в рассматриваемом ШИМ такие же^ как и в известном устройстве, то данный ШИМ является и частотным квадратором,и выпрямленное напряжение обмотки сердечника связано с входным сигналом квадратичной зависимостью.

Из (3) и (А) легко найти зависимость частоты от входного сигнала

V,

ВХ·

25

ьМЦ 2к^_г5дВ_пЕ

(6)

Точность преобразования (6) ниже точности преобразования (5)» так как результат определяется величиной йВ_п, которая зависит от температуры. Однако в предлагаемом ШИМ, в отличие от известного,результат не зависит от параметров транзисторов, изменяющихся во времени, и от температуры.

Можно показать, что при представлении зависимости индукции в сердечнике от напряженности магнитного поля в соответствии с

"В-Вр „

6>В_Г,

(7)

в + в.

В<-Вр

изменение индукции дВ_п при перемагничивании в одном направлении определится

ДВ_п=^2Бг

где

ы У/, Ε / κΚ₂\ν, \ ₂е . V κ,η^\ν₂/’

(8)

55

= :

Е

К'и

длина силовой линии в магнитном сердечнике; приведенное к обмотке Μι сопротивление йагрузки обмоток МдИ

При подключении нагрузки к выходу компаратора на ОУ 2 второй член в круглых скобках отсутствует.

10

15

20

Для сердечников с прямоугольной функцией перемагничивания

дВ _п = 2 В _е , ( 9 )

где δ_β - индукция насыщения сердечника.

Эта величина в реальных сердечниках ведет себк значительно стабильнее значения емкое и конденсатора в интеграторах на ОУ с емкостью в цепи обратной связи.

В предлагаемом ШИМ требуется только две-четыре обмотки на сердечнике. Вместо ждущего мультивибратора используется операционный усилитель, имеющий размеры одного транзистора, и число сопротивлений уменьшается с семи до пяти. Одновременно повышается точность ШИМ, так как момент переключения определяется ОУ и в измерительной обмотке не протекает ток, т/е. предлагаемое устройство значительно проще, технологичнее известного, а также точнее и стабильнее во времени.

30

35

40

50

60

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Многофункциональный широтно-импульсный модулятор, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к делителю напряжения из двух резисторов, один из которых подключен к земляной шине, и магнитный сердечник с обмотками, отличающийся тем, что, с целью упрощения схемы с одновременным улучшением метрологических характеристик, в него введен дополнительный операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к делителю напряжения из' двух рёзисторов, один из которых подключен к земляной шине, а другой соединен со вторым резистором делителя напряжения операционного усилителя и с выходом дополнительного операционного усилителя, причем неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя через резистор подключен к земляной шине, а через одну из обмоток магнитного сердечника - с выходом операционного усилителя, инвертирующий вход которого через другую обмотку магнитного сердечника подключен к входной клемме, а нагрузка подключена либо к выходу дополнительного операционного усилителя, либо к дополнительной обмотке магнитного сердечника.