3. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ

В системах автоматики и телемеханики, наряду с другими методами преобразования управляющих сигналов, часто используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В этом случае входной (управляющий) сигнал, заданный в виде постоянного (точнее, медленно изменяющегося) напряжения или тока преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с постоянными амплитудой периодом следования длительностью меняющейся в соответствии с величиной управляющего сигнала.

Различают одностороннюю широтно-импульсную модуляцию (ОШИМ), при которой модулируется временное положение одного из фронтов импульса (переднего или заднего), и двустороннюю, при которой изменяется положение обоих фронтов. Наиболее широко используется ОШИМ с модуляцией заднего фронта импульса.

Как односторонняя, так и двусторонняя широтно-импульсная модуляция может быть первого и второго рода — соответственно ШИМ (ОШИМ)-1 и ШИМ (ОШИМ)-2. При модуляции первого рода момент формирования фронта импульса определяется значением входного сигнала в этот же момент времени. При модуляции второго рода момент формирования фронта определяется значением входного сигнала в момент времени, соответствующий тактовой точке, которая повторяется периодически с периодом т. Временные диаграммы, иллюстрирующие форму сигнала при модуляции ОШИМ-1 и ОШИМ-2 (с модуляцией заднего фронта), приведены на рис. XIV.45. Тактовым точкам соответствует положение передних фронтов импульсов.

Рис. XIV.45. Структура сигнала ШИМ: а — входной сигнал; б — сигнал с ШИМ-1; в — сигнал с ШИМ-2

Крутизна преобразования модулятора определяется, как обычно, отношением приращения длительности импульса к приращению входного сигнала при этом предполагается, что сигнал задан в виде напряжения:

Поскольку, как показано ниже, исполнительные устройства реагируют на среднее значение (постоянную составляющую) сигнала ШИМ, для расчетов удобно вводить безразмерную величину называемую коэффициентом команды:

где — длительность паузы между импульсами. Крутизна преобразования в этом случае

причем обычно среднему значению управляющего сигнала соответствует коэффициент команды Очевидно, что однако на практике коэффициент команды ограничивается по модулю величиной порядка Это обусловлено тем, что при больших коэффициентах команды импульс (или пауза) оказываются слишком узкими, что затрудняет

реализацию преобразователя. Поэтому максимально достижимая крутизна преобразования по коэффициенту команды

где — динамический диапазон входного напряжения.

Поскольку у сигналов ШИМ информация заключена во временном положении фронтов импульсов, то при работе с такими сигналами допускаются любые искажения и преобразования, не приводящие к смещению фронтов. Это является важным преимуществом сигналов ШИМ, обусловливающим широкое использование их в системах автоматики и телеуправления. В частности, для усиления сигналов ШИМ могут быть использованы релейные (ключевые) усилители мощности, обладающие большим коэффициентом усиления, надежностью и меньшим энергопотреблением, чем линейные усилители.

Рис. XIV.46. Схема управления рулем: ПУ — предварительный усилитель

Кроме того, при этом не требуется стабилизировать коэффициент усиления, поскольку релейный усилитель может находиться только в двух состояниях — «включен» или «выключен».

Ряд исполнительных устройств систем автоматики требует обязательного преобразования управляющего сигнала в сигнал ШИМ. Это так называемые колеблющиеся органы управления (рули), применяемые, например, для управления некоторыми типами летательных аппаратов [13]. Руль может находиться только в двух крайних положениях (не считая времени переброса, которое должно быть минимальным), причем эффект управления пропорционален разности времен пребывания в каждом из положений. Блок-схема управления рулём приведена на рис. XIV.46, на котором также изображены основные диаграммы, поясняющие ее работу. В приведенной схеме тяговые электромагниты руля служат эмиттерной нагрузкой двухтактного ключевого каскада, собранного на транзисторах Каждый из транзисторов открывается по очереди импульсами запуска, формируемыми из импульсов ШИМ таким образом, что в течение времени открывается транзистор а в течение времени — транзистор

7V Очевидно, что разность средних времен пребывания руля в крайних положениях пропорциональна коэффициенту команды поскольку при открытом транзисторе ток протекает через левую половину обмотки тягового электромагнита, а при открытом транзисторе через правую.

Благодаря указанному выше преимуществу сигнала ШИМ, этот вид преобразования находит применение и для исполнительных устройств непрерывного действия, например, электродвигателей. Схема оконечного каскада усилителя приведена на рис. XIV.47. Якорная обмотка электродвигателя включена между эмиттерными нагрузками двухтактного эмиттерного повторителя, работающего в ключевом режиме. Управление змиттерным повторителем осуществляется так же, как в схеме, приведенной на рис. XIV.46. Заметим, что ток в обмотке якоря электродвигателя меняет направление в соответствии с изменением состояний транзисторов Благодаря инерционности электродвигателя, суммарный эффект будет определяться средним значением протекающего тока, т. е. коэффициентом команды В тех случаях, когда период коммутации имеет значительную длительность (от единиц до сотых долей секунды) вместо транзисторного (или лампового) ключевого каскада может использоваться поляризованное реле. Мощности предварительных усилителей в схемах рис. XIV.46, XIV.47 должны быть достаточными для переключения выходного каскада.

Рис. XIV.47. Схема питания электродвигателя сигналом ШИМ

Расчет преобразователя ШИМ должен начинаться с определения частоты следования импульсов Как и при любом методе импульсной модуляции, где непрерывный сигнал отображается значениями в дискретные моменты времени, для правильного воспроизведения исходного сигнала частота дискретизации должна быть согласована с его спектром. Нижний предел частоты дискретизации при которой в принципе возможно восстановление (без ошибки) непрерывного сигнала по его дискретным значениям, определяется теоремой Котельникова (см. § 1 настоящей главы), согласно которой

где — максимальная частота, содержащаяся в спектре исходного сигнала.

Для преобразования постоянного напряжения в сигнал ШИМ используются разнообразные устройства, которые могут быть выполнены как на электронных лампах, так и на транзисторах. Каждая из рассмотренных ниже ламповых схем имеет транзисторный аналог и наоборот.

Рис. XIV.48. Принцип формирования сигнала ШИМ

Принцип действия большинства преобразователей основан на фиксации момента времени, при котором входной сигнал становится равным сигналу с заданным законом изменения во времени (обычно используется линейно-меняющийся — пилообразный сигнал Принцип формирования сигнала ШИМ иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. XIV.48. Импульсами тактового генератора, следующими с периодом запускается генератор пилообразного напряжения и в этот же момент формируется передний фронт импульса ШИМ. Когда пилообразное напряжение становится равным по величине входному напряжению устройство сравнения (компаратор) вырабатывает импульс, формирующий задний фронт импульса ШИМ. Из рис.

XIV.48 видно, что в данном случае получается модуляция ОШИМ-1. Если дополнительным устройством осуществить запоминание величины входного напряжения в момент появления тактового импульса и затем использовать эту величину для сравнения с пилообразным напряжением, то в результате получится модуляция ОШИМ-2 (штриховые линии на рис. XIV.48).

Блок-схема преобразователя приведена на рис.

XIV.49. В качестве задающего тактового генератора обычно используется блокинг-генератор, который формирует последовательность коротких импульсов достаточно большой амплитуды. Для повышения стабильности частоты следования импульсов иногда применяют синхронизацию блокинг-генератора внешним высокостабильным источником. Схемы генераторов пилообразного напряжения весьма разнообразны [14] и могут выполняться в транзисторном и ламповом вариантах. К выходному напряжению генератора предъявляются повышенные требования по стабильности среднего уровня и линейности формы. Изменение среднего уровня приводит к появлению ошибки смещения в преобразователе, отклонение формы напряжения от линейной — нелинейной зависимости коэффициента

Рис. XIV.49. Блок-схема преобразователя ШИМ: ТГ - тактовый генератор; К — компаратор; Т — триггер; Г — генератор

команды от входного сигнала. В качестве выходного устройства, формирующего импульсы ШИМ, используется триггер, который запускается тактовыми импульсами и сбрасывается импульсами, поступающими с компаратора. Одна из возможных схем компаратора [13] и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. XIV. 50.

Пилообразное напряжение поступает на катод диода который находится в закрытом состоянии, поскольку напряжение на катоде выше, чем на аноде. Лампа усилителя при этом открыта и напряжение на ее аноде мало. По мере убывания напряжение анод — катод диода нарастает и в момент когда напряжение пилы становится равным управляющему напряжению, диод открывается.

Рис. XIV.50. Диодный компаратор: а — принципиальная схема; б — временные диаграммы

В этот момент напряжение через разделительную емкость подается на сетку лампы, что приводит к возникновению положительного импульса на ее аноде. Передний фронт этого импульса дифференцируется и используется для сброса триггера. Недостатком такого компаратора является сравнительно малая крутизна фронта анодного импульса, что ухудшает точность преобразования.

Более совершенными являются компараторы регенеративного типа, нашедшие широкое применение в преобразователях ШИМ. В компараторах этого типа благодаря внутренней обратной связи возникает лавинообразный процесс переброса схемы из одного фиксированного состояния в другое, в результате чего получается импульс с высокой крутизной фронта. Срабатывание регенеративной схемы происходит при достижении входным напряжением некоторого фиксированного уровня . В качестве регенеративного компаратора часто используется триггер Шмитта. Принцип формирования сигнала ШИМ с помощью компаратора, при использовании триггера Шмитта, можно пояснить с помощью рис. XIV.51. Приведенные диаграммы соответствуют случаю применения

транзисторов типа p - n - p, для транзисторов типа n - p - n или электронных ламп, где отпирающими является положительный уровень, диаграммы следует инвертировать относительно оси времени.

Рис. XIV.51. Принцип и схема формирования сигнала ШИМ с помощью триггера Шмитта

В преобразователях ШИМ часто используются устройства, в которых функции генерирования колебания заданной формы и сравнения конструктивно объединены. Примерами таких преобразователей являются преобразователи на фантастронах или кипп-реле [141. Преобразователь ШИМ, построенный по схеме кипп-реле с катодной связью и временные диаграммы, поясняющие его, работу, приведены на рис. XIV.52.

Рис. XIV.52. Формирование сигнала ШИМ с помощью кипп-реле

Кипп-реле представляет собой спусковую схему с одним устойчивым и с одним временно-устойчивым состоянием. Для обозначения таких схем в литературе, кроме термина кипп-реле, употребляются также термины задержанный мультивибратор, одновибратор, моностабильная схема.

Как видно из рис. XIV.52, схема кипп-реле с катодной связью напоминает схему триггера Шмитта, с той только разницей, что

резистивная анодно-сеточная связь заменена емкостной. В устойчивом состоянии лампа открыта, а лампа заперта напряжением выделяющимся на общей катодной нагрузке за счет тока лампы При поступлении на сетку лампы положительного импульса достаточно большой амплитуды происходит лавинообразный процесс опрокидывания. В аноде лампы формируется отрицательный перепад Ею который через емкость передается на сетку лампы запирая ее. Схема переходит во временно устойчивое состояние. Емкость начинает перезаряжаться через сопротивление и параллельно включенные сопротивления нагрузки и внутреннее сопротивление открытой лампы Поскольку сопротивление значительно больше внутреннего сопротивления лампы и сопротивления можно считать, что процесс перезарядки определяется только им. При этом напряжение на сетке лампы возрастает. Когда разность этого напряжения и напряжения на катоде, обусловленного током открытой лампы станет равной напряжению отпирания лампы последняя откроется, что приведет к обратному опрокидыванию схемы. После восстановления начального заряда на емкости схема возвращается в исходное состояние. Сигнал управления, поступающий на сетку лампы изменяет величину тока этой лампы в открытом состоянии, что вызывает изменение перепада напряжения на ее аноде и величины напряжения на катодах ламп. Это обусловливает изменение длительности временно устойчивого состояния кипп-реле. Положительный импульс, снимаемый с анода лампы может быть использован как сигнал ШИМ. Выражение, определяющее длительность временно устойчивого состояния кипп-реле, имеет вид:

где — параметры элементов схемы;

— напряжение анодного питания;

— напряжение в катодах ламп при закрытой

Таким образом, в общем случае существует нелинейная зависимость длительности импульса от управляющего напряжения. Однако надлежащим выбором параметров схемы зависимость (XIV.34) может быть линеаризована и приведена к виду

где

При этом отклонение реальной характеристики от линейной, описываемой соотношением (XIV.35), в ряде случаев не превышает величину порядка 1%.

Как видно из рассмотрения принципов преобразования непрерывного входного сигнала в сигнал ШИМ, управляющий сигнал должен быть однополярным, изменяющимся относительно некоторого среднего значения, не равного нулю. Чаще всего в системах автоматики управляющий сигнал бывает двуполярным со средним значением, равным нулю. Поэтому для преобразования такого сигнала в сигнал ШИМ сначала необходимо превратить его в однополярный, сложив его с постоянным напряжением величину котррого следует подобрать таким образом, чтобы при нулевом исходном управляющем сигнале коэффициент команды был равен нулю.

Приведенные схемы не исчерпывают всего многообразия возможных способов построения преобразователей ШИМ. Кроме преобразователей на электронных лампах и транзисторах, могут применяться преобразователи на ферритовых элементах с прямоугольной петлей гистерезиса. Преобразователи такого типа подробно описаны в литературе.