Конвертор широтно-імпульсно модульованого сигналу в напругу

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для перетворення широтноімпульсно модульованого (ШІМ) сигналу в напругу у складі засобів автоматики. Пристрій містить керовані напівпровідникові ключі, джерело струму, два інтегруючих конденсатори. Два ключі включено паралельно інтегруючим конденсаторам, два ключі включено між першими виводами інтегруючих конденсаторів і джерелом струму, два ключі включено між першими виводами інтегруючих конденсаторів і виходом конвертора, другі виводи інтегруючих конденсаторів заземлено. Технічним результатом що досягається, є підвищення технікоекономічних і масогабаритних показників засобів автоматики . UA 106021 C2 (12) UA 106021 C2 UA 106021 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для перетворення широтноімпульсно модульованого (ШІМ) сигналу в напругу у складі засобів автоматики. В засобах автоматики і електроніки з мікроконтролерами та/або цифровими сигнальними процесорами для представлення аналогових сигналів можуть використовуватися ШІМ послідовності. Для перетворення їх в аналоговий сигнал застосовуються спеціальні фільтри або конвертори ШІМ сигналів в напругу. Відомий конвертор широтно-імпульсно модульованого сигналу в напругу (David М. Alter, Using PWM output as a digital-to-analog converter on a TMS320F280x digital signal controller. Application Report SPRAA88A. Texas Instruments. - Sep. 2008; Feng Zhou, Wei Xiong, Using PWM Output as a Digital-to-Analog Converter on DSP. - International Conference on System Science, Engineering Design and Manufacturing Informatization (ICSEM), 2010. - Volume 2. - 12-14 Nov. 2010), який складається з пасивного та/або активного аналогового фільтра нижніх частот. Недоліками схеми є невелика роздільна здатність конвертора і вузький частотний діапазон. Крім того, аналогова фільтрація завжди призводить до доволі великого часу реакції конвертора, особливо при стрибкоподібних змінах шпаруватості вхідного ШІМ сигналу. Відомий конвертор широтно-імпульсно модульованого сигналу в напругу (М. Ivanov, PWMto-voltage converter circuit and method. - US patent № 7408392. H03K 3/017-Aug. 5, 2008), який складається з інтеграторів на операційних підсилювачах, джерела струму, напівпровідникових ключів і схеми керування. Перевагою схеми є швидке - один період ШІМ - відпрацювання вхідного ШІМ сигналу. Недоліками пристрою є велика кількість операційних підсилювачів з конденсаторами в ланцюзі зворотного зв'язку, необхідність точного підбору ємностей конденсаторів та корекції зміщення підсилювачів, що веде до ускладнення схеми. Так, для забезпечення безперервного вихідного сигналу необхідно використовувати не менше трьох інтеграторів з відповідними ланцюгами керування. Відомий конвертор широтно-імпульсно модульованого сигналу в напругу (Baker et al., Converting a pulse-width modulation signal to an analog voltage. - US patent № 6208280. H03M 1/66-Mar. 27, 2001), який складається з керованих напівпровідникових ключів, джерела струму, інтегруючого конденсатора - прототип. В основу схеми покладено принцип перетворення ШІМ сигналу в напругу, який полягає у заряджанні інтегруючого конденсатора постійним струмом під час активної фази ШІМ сигналу з подальшою передачею накопленого заряду на вихідний "зберігаючий" конденсатор. Перед новим циклом перетворення виконується розряд інтегруючого конденсатора. Перевагою схеми є можливість якісного відпрацьовування стрибкоподібних змін вхідного ШІМ сигналу на відміну від аналогових фільтрів. Основним недоліком є досить великий час реакції - чотири (з можливістю скорочення до двох) періодів ШІМ, відносна складність схеми керування напівпровідниковими ключами, що призводить до зниження швидкодії і техніко-економічних показників пристрою. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити конвертор широтно-імпульсно модульованого сигналу в напругу, в якому за рахунок внесення нового елемента і зміни схеми забезпечується усунення недоліків прототипу, що дозволяє як мінімум вдвічі підвищити швидкодію і спростити схему керування аналоговими ключами, тим самим підвищити технікоекономічні показники конвертора. Для рішення поставленої задачі в пристрої, що містить керовані напівпровідникові ключі, джерело струму, інтегруючий конденсатор, відповідно до винаходу, в схему додатково введений другий інтегруючий конденсатор, при цьому два ключі включено паралельно інтегруючим конденсаторам, два ключі включено між першими виводами інтегруючих конденсаторів і джерелом струму, два ключі включено між першими виводами інтегруючих конденсаторів і виходом конвертора, другі виводи інтегруючих конденсаторів заземлено. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 представлено блок-схему конвертора, на Фіг. 2 - його електричну схему, на Фіг. 3 діаграми роботи, на Фіг. 4 - схему практичної реалізації. Пристрій (Фіг. 1) містить керовані напівпровідникові ключі 1 (S1-S6 Фіг. 2), джерело струму 2 ( Iref , Фіг. 2), інтегруючі конденсатори 3 (С1, С2, Фіг. 2). Ключі S1, S4 (Фіг. 2) включені паралельно інтегруючим конденсаторам С1, С2; ключі S2, S3 включені між першими виводами інтегруючих конденсаторів і джерелом струму Iref ; ключі S5, S6 включені між першими виводами інтегруючих конденсаторів і виходом конвертора. Другі виводи інтегруючих конденсаторів заземлено. Підвищення швидкодії конвертора досягнуто за рахунок застосування двох інтегруючих конденсаторів, які працюють почергово, що дає можливість оновлювати вихідну напругу конвертора з затримкою всього в один період частоти ШІМ. 1 UA 106021 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Пристрій працює в такий спосіб. На Фіг. 3 показані діаграми роботи конвертора при фільтрації ШІМ сигналу. Вхідними сигналами конвертора є безпосередньо ШІМ послідовність (сигнал PWM, Фіг. 3) та меандр із половинною частотою ШІМ (сигнал FPWM / 2 , Фіг. 3). На Фіг. 3 також наведені діаграми напруг на інтегруючих конденсаторах (сигнали UC1 , UC2 ) та вихідної напруги конвертора (сигнал Uout ). Для періодів ШІМ з непарними номерами (коли сигнал FPWM / 2  0 ) як інтегруючий конденсатора виступає С1, а С2 підключений до виходу конвертора через ключ S6; для періодів з парними номерами (коли сигнал FPWM / 2  1 ) інтегруючий конденсатор - С2, а С1 підключений до виходу через ключ S5. В неактивній фазі ШІМ сигналу інтегруючий конденсатор розряджається через ключ S1 (для С1) або S4 (для С2). В активній фазі ШІМ сигналу інтегруючий конденсатор підключається через ключ S2 (для С1) або S3 (для С2) до джерела струму Iref . В кінці активної фази ШІМ (тобто в кінці періоду ШІМ) напруга на інтегруючому конденсаторі дорівнює Uint  Iref  t on / Cint  Iref  D /(Cint  FPWM), де Iref - струм джерела струму, А; t on - час активного стану ШІМ сигналу, с; Cint - ємність шпаруватість ШІМ сигналу; FPWM - частота ШІМ, Гц. З останнього виразу видно, що напруга Uint пропорційна шпаруватості ШІМ сигналу D. Заряджений конденсатор підключається до виходу через ключ S5 (для С1) або S6 (для С2), а на наступний період ШІМ як інтегруюче виступає другий конденсатор, тобто С1 і С2 міняються ролями кожний період ШІМ. З цього витікає умова коректної роботи запропонованого пристрою: ємності С1 і С2 повинні бути однаковими. На практиці достатньо забезпечити відносну різницю ємностей на рівні не вище 2 N , де N - роздільна здатність ШІМ, біт. В практичній реалізації конвертора широтно-імпульсно модульованого сигналу в напругу як джерело ШІМ сигналу використано однокристальний мікроконтроллер ATTINY13A з тактовою частотою 9,6 МГц. Для генерації керуючих сигналів використано таймер TIMER0. В регістр OCR0A записано 255, що дає частоту ШІМ 37,5 кГц при роздільній здатності 8 біт. Вихід ОС0А запрограмований на генерацію меандра з половинною частотою ШІМ, вихід ОС0В - на генерацію інверсної ШІМ. В якості ключів використано мультиплексор 74НС4052. Напруга живлення дорівнює 5 В, ємність конденсаторів С1, С2-1000 пФ. Різниця ємностей С1, С2 не перевищує 5 пФ. Струм Iref - дорівнює 90 мкА. Для забезпечення достатньо повного розряду інтегруючого конденсатора (не вище, ніж до 0,2 % начальної напруги) час розряду повинен бути не менше 1,3 мкс. Це обмежує максимальну шпаруватість на рівні 95 % (число в регістрі OCR0B повинно бути більше за 12). Оскільки запропонований конвертор має високий вихідний опір, при роботі з низькоомним навантаженням доречно встановити на виході конвертора буфер на операційному підсилювачі. Застосування запропонованого конвертора широтно-імпульсно модульованого сигналу в напругу дозволяє підвищити техніко-економічні і масогабаритні показники засобів автоматики, в яких він використаний. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Конвертор широтно-імпульсно модульованого сигналу в напругу, що містить керовані напівпровідникові ключі, джерело струму, інтегруючий конденсатор, який відрізняється тим, що в схему додатково введений другий інтегруючий конденсатор, при цьому перший та четвертий ключі включено паралельно інтегруючим конденсаторам, другий та третій ключі включено між першими виводами інтегруючих конденсаторів і джерелом струму, п′ятий та шостий ключі включено між першими виводами інтегруючих конденсаторів і виходом конвертора, другі виводи інтегруючих конденсаторів заземлено. 2 UA 106021 C2 3 UA 106021 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4