УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА Российский патент 2016 года по МПК H03M1/10 

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, предназначено для автоматического измерения и контроля точностных параметров цифровых преобразователей угла (далее ЦПУ).

Известно устройство для контроля преобразователей угла поворота вала в код, содержащее привод, эталонный и контролируемый преобразователи угла поворота вала в код (это ЦПУ), схему ИЛИ, первую, вторую, третью и четвертую схему И, первый и второй триггеры, генератор импульсов, счетчик, делитель частоты и блок преобразования и регистрации информации [1].

Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная нестабильностью напряжения питания и условий контроля.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее первый и второй дешифраторы, первый и второй триггеры, блок реальных сигналов, первый, второй, третий, четвертый и пятый счетчики, схему совпадения, первый, второй, третий и четвертый ключи, генератор импульсов, блок воспроизведения погрешности, шаговый двигатель и контролируемый ЦПУ [2].

Недостаток этого устройства тот же, что и у первого устройства.

Цель изобретения - повышение точности и стабильности контроля ЦПУ.

Эта цель достигается тем, что в устройство контроля точности ЦПУ, содержащее: 1) управляемый электропривод, вал которого кинематически соединен с валом образцового и контролируемого ЦПУ, выход контролируемого ЦПУ подключен ко входу схемы И-НЕ, выход которой соединен с входом первого триггера, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа; первую схему совпадения, второй триггер, счетчик, второй и третий ключи и регистрирующее устройство, введены первый, второй и третий формирователи импульсов, первая схема И, схема ИЛИ, регистратор, первая и вторая схема задержки, постоянное запоминающее устройство, первый и второй сумматоры, вторая схема совпадения, переключатель и управляющее логическое устройство (далее УЛУ). Выход контролируемого ЦПУ подключен к входам первого и второго ключей, второго триггера, к первому входу первой схемы совпадения, ко второму входу регистратора, выход первого триггера соединен со вторым входом схемы И. Выход первого ключа подключен к входу первого и второго формирователей импульса, выход первого формирователя импульса подключен к первому входу схемы ИЛИ, выход которой соединен с управляющими входами постоянного запоминающего устройства, третьего ключа и с входом устройства задания требуемого кода, выход которого подключен ко второму входу первой схемы совпадения, выход которой соединен с первым входом первой схемы И, выход которой подключен к управляющему входу второго ключа, выход которого через первую схему задержки соединен с первыми входами первого сумматора и второй схемы совпадения. Выход образцового ЦПУ подключен ко второму входу второго сумматора и к первому входу регистратора, выход которого соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, выход которого соединен с входом третьего ключа, выход которого через вторую схему задержки подключен ко вторым входам первого сумматора и второй схемы совпадения, выход которой соединен с первым входом регистрирующего устройства, а второй его вход - с выходом первого сумматора. Выход второго формирователя импульса подключен ко второму входу схемы ИЛИ. Выход схемы И-НЕ подключен к входу третьего формирователя импульса, выход которого соединен со счетчиком, выход которого подключен к первому и третьему входам УЛУ. Выход второго триггера соединен со вторым входом УЛУ. Первый выход УЛУ дает питание всем электронным элементам, а второй выход через переключатель подключен к входу управляемого электропривода;

2) УЛУ содержит инвертор, вторую схему И, третий триггер, четвертый и пятый ключи, первый и второй источники питания, кнопку и тумблер, третий вход УЛУ является вторым входом третьего триггера, а первый вход - входом инвертора, выход которого подключен к первому входу второй схемы И, второй вход УЛУ является вторым входом второй схемы И, выход которой соединен с первым входом третьего триггера, выход которого подключен к управляющим входам четвертого и пятого ключей. Выход первого источника питания соединен с входом первого замыкающего контакта кнопки, выход которого подключен к входам первого нормально замкнутого и второго и третьего замыкающих контактов четвертого ключа, выходы первого и второго контактов которого, соединенные между собой, являются первым выходом УЛУ, выход третьего замыкающего контакта четвертого ключа подключен к входу первого источника питания. Выход второго источника питания соединен со входом второго замыкающего контакта кнопки, выход которого подключен к входам первого нормально замкнутого и второго и третьего замыкающих контактов пятого ключа, выходы первого и второго контактов которого, соединенные между собой, соединены с входом замкнутого контакта тумблера, выход которого является вторым выходом УЛУ, выход третьего замыкающего контакта пятого ключа подключен к входу второго источника питания.

На чертеже приведена схема устройства контроля точности ЦПУ.

Устройство содержит образцовый ЦПУ 1, управляемый электропривод (УЭП) 2, контролируемый ЦПУ 3, схему И-НЕ 4, первый триггер (T₁) 5, первый ключ (Кл₁) 6, первую схему совпадения (CC₁) 7, первую схему И (И₁) 8, второй ключ (Кл₂) 9, первую схему задержки (C3₁) 10, первый сумматор (Σ₁) 11, вторую схему совпадения (СС₂) 12, первый и второй формирователи импульса (F₁) 13 и (F₂) 14, схему ИЛИ 15, третий ключ (Кл₃) 16, регистратор 17, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 18, второй сумматор (Σ₂) 19, вторую схему задержки (СЗ₂) 20, регистрирующее устройство 21, устройство задания требуемого кода (УЗТК) 22, третий формирователь импульса (F₃) 23, счетчик (Сч) 24, УЛУ 25, второй триггер (Т₂) 26, переключатель 27.

УЛУ, в свою очередь, содержит инвертор (Инв) 28, вторую схему И (И₂) 29, третий триггер (T₃) 30, четвертый ключ 31, пятый ключ 32, первый источник питания (ИП₁) 33, второй источник питания (ИП₂) 34, кнопку «СТАРТ» 35, тумблер 36.

Устройство работает следующим образом. Нажимают кнопку 35 «Старт», напряжение питания от первого источника питания 33 поступает на нормально замкнутые контакты ключа 31 и с их выхода питание получают все электронные элементы (ЭЭ) устройства. В этом случае на выходе счетчика 24 будет нулевой сигнал, который придет на вход инвертора 28, на выходе которого сформируется единица, которая перейдет на вход второй схемы И₂ 29. В то же время на входе контролируемого ЦПУ 3 появится какой-либо код, кроме нулевого (нулевой - это нули во всех разрядах). Появление нулевого кода - весьма маловероятное событие, но если оно все-таки произошло, достаточно рукой сдвинуть немного вал ЦПУ 3 в любую сторону, и будет получен ненулевой код. Этот код придет на вход второго триггера 26, на выходе которого установится постоянное напряжение, которое поступит на второй вход второй схемы И₂ 29, она откроется и с нее сигнал поступит на первый (единичный) вход третьего триггера T₃ 30, на выходе которого установится постоянный сигнал. Этот сигнал поступит на управляющие входы четвертого 31 и пятого 32 ключей. Они срабатывают, при этом первые нормально замкнутые контакты разомкнутся, но вторые контакты замкнутся, и цепь питания не прервется. Замкнутся и третьи контакты, которые зашунтируют контакты кнопки 35. Нажатие кнопки снимают, но цепи питания от первого 33 и второго 34 источников не прерывается. Таким образом, электронные элементы получили питание и управляемый электропривод 2 - тоже. Сигнал, снимаемый с выхода третьего формирователя импульса по фронту (F₃) 23, поступает на соответствующие входы электронных элементов и приводит их в исходное состояние (производится «обнуление»). Электронная часть устройства готова к измерительному процессу. Валы привода 2, образцового 1 и контролируемого 3 ЦПУ начинают вращаться. Тумблер 36 размыкают тогда, когда необходимо провести проверку и настройку электронной схемы или в случае необходимости отключить вращение всего кинематического тракта. Небольшое пояснение к схемам ключей: с целью простоты изображения и экономии места в них дана одна общая схема управления, а не к каждому из трех каналов. Да и в действительности входы всех схем управления будут объединены и будут управляться одним сигналом с выхода триггера 30.

Поскольку вал контролируемого 3 ЦПУ практически будет всегда находиться в любом положении, кроме нулевого, то первый оборот вала пройдет без измерения. Как только вал ЦПУ 3 придет в нулевое положение, на его выходе будет нулевой код, который поступит на вход схемы 4 И-НЕ, на ее выходе сформируется единица, которая, придя на вход первого триггера 5, переключит его в единичное состояние. Этот сигнал придет на управляющий вход первого ключа 6 и откроет его, этот же сигнал придет и на второй вход первой 8 схемы И. Нулевой код с выхода контролируемого 3 ЦПУ появится на втором входе регистратора 17, а на его первый вход придет какой-либо код с образцового 1 ЦПУ. В регистраторе 17 сформировывается разность этих кодов, которая по единичному сигналу с выхода схемы И-НЕ сбрасывается в ПЗУ 18. Поскольку с выхода контролируемого ЦПУ приходит нулевой код, то разность кодов представляет собой смещение нулевого положения образцового ЦПУ относительно контролируемого. Это смещение нуля запоминают и затем его вычитают из всех тех значений кода образцового ЦПУ. Более конкретно об этом дано ниже. Кроме того, сигнал с выхода схемы И-НЕ поступает на вход формирователя 23 сигнала по фронту, который вырабатывает импульс. Этот импульс поступает на вход счетчика 24, например до четырех, и записывает первую единицу, но на его выходе остается ноль.

Валы контролируемого и образцового ЦПУ вращаются, и на выходе контролируемого ЦПУ появляется первая единица младшего разряда (первый код). Подошла граница первого кванта. На выходе схемы И-НЕ будет ноль, но от этого состояние триггера 5 не изменится, на выходе будет оставаться постоянное напряжение, первый и второй ключи также останутся открытыми. Единица с контролируемого ЦПУ перейдет на входы формирователей импульсов по фронту 13 и спаду 14, но импульс на выходе появится только у формирователя 13, так как пока подошла только начальная граница (фронт) единичного кванта. Единица с формирователя 13 через схему ИЛИ 15 придет на вход УЗТК 22. Устройство сработает, на его выходе появится первый код, который будет подан на второй вход схемы совпадения 7. На ее первом входе тоже есть первый код с ЦПУ 3, поэтому на выходе схемы совпадения будет сформирована единица, которая придет на первый вход первой схемы И, она откроется, и импульс с ее выхода поступит на управляющий вход второго ключа 9. Ключ откроется, и первый код с контролируемого ЦПУ перейдет через первую схему задержки 10 на первый вход сумматора 11, функционирующего в режиме вычитания. Этот код придет и на первый вход второй схемы совпадения 12.

Одновременно с контролируемым 3 ЦПУ произойдет вращение и образцового 1 ЦПУ, код с его выхода поступит на второй вход второго сумматора 19, также функционирующего в режиме вычитания. На первый вход этого сумматора приходит код смещения нуля образцового ЦПУ, и как раз этот код и вычитается из значений кода образцового ЦПУ. При этом оба сумматора функционируют таким образом, что каждый вновь приходящий код удаляет (стирает) предыдущий.

Благодаря этому действию на выходе второго сумматора 19 формируется тот код, который должен бы быть, если бы нулевые положения контролируемого и образцового ЦПУ совпадали. Поскольку в этом устройстве за основу взято нулевое положение контролируемого ЦПУ и, следовательно, нулевой код контролируемого ЦПУ, то приведение к совпадению нулевых кодов осуществляется на выходной цепи образцового ЦПУ. Выходной код с сумматора 19 поступает на вход третьего ключа 16, который открыт, так как на его управляющий вход пришел через схему ИЛИ 15 с выхода формирователя 13 импульс. И, следовательно, код образцового ЦПУ с выхода третьего ключа 16 через вторую схему задержки 20 поступает на второй вход первого сумматора 11. В сумматоре 11 этот код вычитается из кода контролируемого ЦПУ, и получают таким образом значение погрешности контролируемого ЦПУ. Значение погрешности с сумматора 11 поступает на вход регистрирующего устройства 21. В том случае, когда код контролируемого ЦПУ будет меньше кода образцового ЦПУ, его значение будет отрицательным. Знак минус формируется с помощью второй схемы совпадения 12. На ее первый и второй входы поступают коды соответственно контролируемого и образцового ЦПУ. Знак погрешности с выхода второй схемы совпадения поступает на вход регистрирующего устройства 21. Первый шаг измерительного процесса закончен.

Валы образцового и контролируемого ЦПУ продолжают вращение, и приходит вторая граница первого кванта контролируемого ЦПУ. Практически вся процедура измерения второго шага будет такая же за исключением некоторых моментов. Второй код с контролируемого ЦПУ пройдет через первый ключ 6 на вход формирователя сигнала по спаду 14. Импульс с него также придет на схему ИЛИ 15 на второй ее вход. Далее так же, как в первом шаге: импульс откроет третий ключ 16, и код образцового ЦПУ (тот код, который к этому моменту будет на входе ключа) поступит на второй вход первого сумматора 11. Поэтому никакого дополнительного управляющего воздействия на сумматоры не требуется. Первая и вторая схема задержки имеют равную и небольшую длительность (единицы мкс). Их цель - дать возможность записать коды в первый сумматор без сбоя, когда переходные процессы в рассматриваемых цепях закончатся.

Все следующие шаги измерения будут по той процедуре, которая описана выше для первого и второго шагов.

После четвертого оборота, три из них измерительные, счетчик 24 сформирует единицу, которая поступит на вход инвертора 28, на выходе которого будет ноль, который, придя на вход второй схемы И 29, закроет ее, и на единичном входе третьего триггера 30 будет ноль, а на его нулевой вход придет единица со счетчика. Триггер поменяет свое состояние, на его выходе будет ноль, который, придя на управляющие входы ключей 31 и 32, закроет их, цепи питания разомкнутся, и напряжение питания с первого 33 и второго 34 источников не будет поступать к электронным элементам и управляемому электроприводу 2. Процесс измерения закончится.

Переключатель 27 переключают тогда, когда необходимо провести измерение ЦПУ при вращении вала в обратную сторону.

Тумблер 36 размыкают в том случае, когда нужно провести проверку и настройку электронных элементов без вращения валов ЦПУ.

Некоторые дополнительные пояснения.

Через третий ключ 16 проходит тот код образцового ЦПУ и в тот промежуток времени, в который ключ открыт. При вращении вала меняется код контролируемого ЦПУ, формирователем импульса по фронту (F₁) 13 или формирователем импульса по спаду (F₂) 14 формируется импульс, который, пройдя через первую схему И 8, открывает третий ключ, который пропускает тот код образцового ЦПУ, который соответствует моменту смены кода контролируемого ЦПУ.

Задача регистратора 17 - получить значение кода образцового ЦПУ, которое соответствует моменту появления нулевого кода контролируемого ЦПУ при условии, что нулевой код образцового ЦПУ был одновременно с нулевым кодом контролируемого ЦПУ. Поскольку в действительности код образцового ЦПУ будет любой другой, кроме нулевого, то в регистраторе осуществляется вычитание этого любого кода образцового ЦПУ из нулевого. В результате получают разность кодов, которая представляет собой смещение (несовпадение нулевого кода образцового ЦПУ относительно нулевого кода контролируемого ЦПУ). При этом в регистраторе определяется и знак разности указанных кодов.

УЗТК 22 представляет собой память, в которой записаны все коды контролируемого ЦПУ, то есть его информационная емкость. Причем выбор этих кодов может производиться как в прямой, так и обратной (при реверсе вала ЦПУ) последовательности.

Варианты реализации счетчика. С помощью счетчика 24 определяется число оборотов вала контролируемого и образцового ЦПУ. При этом один из оборотов, как уже указывалось, будет неполным и пройдет без задействования измерительного процесса. Какое значение для счетчика принять, решает разработчик ЦПУ. По данным метрологов [Сергеев А.Г. Метрология. - М.: Логос, 2004] следует, что многократные измерения позволяют эффективно уменьшить случайную составляющую погрешности измерения лишь при не более чем восьмикратном измерении. В этом варианте случайная составляющая погрешности будет уменьшена в √8=2,83 раза. Принятое в качестве примера в предложенном устройстве значение счетчика до четырех дает эффект в √3=1,73 раза. √3 потому, что будет получено три массива измерения за три оборота вала ЦПУ.

Поскольку в сумматоре 11 формируется разность кодов контролируемого и образцового ЦПУ, то в результате имеем погрешность координат смены значений кода контролируемого ЦПУ. Полученная разность с учетом знака, формируемого со второй схемы совпадения 12, определяется числом квантов образцового ЦПУ. В регистрирующем устройстве 21 накапливается массив измеренных значений погрешности координат смены значений кода в течение каждого измерительного оборота вала ЦПУ. Число массивов равно числу измерительных оборотов. Обработка многократных измерений по ГОСТ 8.207-76 «ГСИ. Прямое измерение с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения».

На фиг. 2 представлена временная диаграмма формирования и прохождения информационных сигналов в предлагаемом устройстве. На диаграмме последовательности смены значений кодов контролируемого и образцового ЦПУ представлены применительно к младшему разряду, отражены реальные кванты обоих ЦПУ. При этом разрядность образцового ЦПУ принята в данной диаграмме только на три разряда больше, чем у контролируемого ЦПУ. Это позволяет более наглядно видеть процесс изменения информационных сигналов во времени при вращении вала. На диаграмме дано разбиение оси времени и на отрезки, соответствующие протяженности расчетных квантов: 0-а, а-б, б-в, в-г, г-д, д-е. При этом 0-а=а-б=б-в= и т.д., так как кванты расчетные. При равномерном квантовании они равны е₂₁, е₂₂, е₂₃ - погрешность координат смены значений кода, соответственно первой, второй и третьей. q_реал4, q_реал5, q_реал6 - протяженность реальных квантов, соответственно четвертого, пятого и шестого. На диаграмме погрешность e₂ дана как разность кодов, выраженная числом квантов образцового ЦПУ (S_измi), где i - порядковый номер координаты. Значение погрешности e₂ в угловых единицах получают как e_2i=S_измi·q; где q - угловая протяженность расчетного кванта образцового ЦПУ. То есть q=Q/2ⁿ; где Q=360°=216000 угл. мин=1296000 угл. с., n - число двоичных разрядов образцового ЦПУ.

Следующая обработка результатов измерений после ГОСТ 8.207-76 осуществляются в соответствии с ГОСТ PB 52015-2003 «Преобразователи угла цифровые. Общие технические условия». При этом вычисляют все обязательные, а при необходимости и справочные точностные характеристики, указанные в этом стандарте.

Список документов

1. SU 894777, 1981.

2. SU 911588, 1982.

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат заключается в повышении точности и стабильности ЦПУ. Устройство содержит образцовый цифровой преобразователь угла (ЦПУ) 1, управляемый электропривод (УЭП) 2, контролируемый ЦПУ 3, схему И-НЕ 4, первый триггер (T₁) 5, первый ключ (Кл₁) 6, первую схему совпадения (CC₁) 7, первую схему И (И₁) 8, второй ключ (Кл₂) 9, первую схему задержки (СЗ₁) 10, первый сумматор (Σ₁) 11, вторую схему совпадения (СС₂) 12, первый и второй формирователи импульса (F₁) 13 и (F₂) 14, схему ИЛИ 15, третий ключ (Кл₃) 16, регистратор 17, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 18, второй сумматор (Σ₂) 19, вторую схему задержки (СЗ₂) 20, регистрирующее устройство 21, устройство задания требуемого кода (УЗТК) 22, третий формирователь импульса (F₃) 23, счетчик (Сч) 24, управляющее логическое устройство (УЛУ) 25, второй триггер (Т₂) 26, переключатель 27. УЛУ, в свою очередь, содержит инвертор (Инв) 28, вторую схему И (И₂) 29, третий триггер (T₃) 30, четвертый ключ 31, пятый ключ 32, первый источник питания (ИП₁) 33, второй источник питания (ИП₂) 34, кнопку «СТАРТ» 35, тумблер 36. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство контроля точности цифровых преобразователей угла, содержащее управляемый электропривод, вал которого кинематически соединен с валом образцового и контролируемого цифровых преобразователей угла (ЦПУ), выход контролируемого ЦПУ подключен ко входу схемы И-НЕ, выход которой соединен со входом первого триггера, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, первую схему совпадения, второй триггер, счетчик, второй и третий ключи и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что в него введены первый, второй и третий формирователи импульсов, первая схема И, схема ИЛИ, регистратор, первая и вторая схема задержки, постоянное запоминающее устройство, первый и второй сумматоры, вторая схема совпадения, переключатель и управляющее логическое устройство (УЛУ), выход контролируемого ЦПУ подключен к входам первого и второго ключа и второго триггера, к первому входу первой схемы совпадения, к второму входу регистратора, выход первого триггера соединен со вторым входом схемы И, выход первого ключа подключен к входу первого и второго формирователей импульса, выход первого формирователя импульса подключен к первому входу схемы ИЛИ, выход которой соединен с управляющими входами постоянного запоминающего устройства, третьего ключа и с входом устройства задания требуемого кода, выход которого подключен к второму входу первой схемы совпадения, выход которой соединен с первым входом первой схемы И, выход которой подключен к управляющему входу второго ключа, выход которого через первую схему задержки соединен с первыми входами первого сумматора и второй схемы совпадения, выход образцового ЦПУ подключен ко второму входу второго сумматора и к первому входу регистратора, выход которого соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, выход которого соединен с входом третьего ключа, выход которого через вторую схему задержки подключен к вторым входам первого сумматора и второй схемы совпадения, выход которой соединен с первым входом регистрирующего устройства, а второй его вход - с выходом первого сумматора, выход второго формирователя импульса подключен к второму входу схемы ИЛИ, выход схемы И-НЕ подключен к входу третьего формирователя импульса, выход которого соединен со счетчиком, выход которого подключен к первому и третьему входам УЛУ, выход второго триггера соединен со вторым входом УЛУ, первый выход УЛУ дает питание всем электронным элементам, а второй выход через переключатель подключен к входу управляемого электропривода.

2. Управляющее логическое устройство (УЛУ), содержащее инвертор, вторую схему И, третий триггер, четвертый и пятый ключи, первый и второй источники питания, кнопку и тумблер, третий вход УЛУ является вторым входом третьего триггера, а первый вход - входом инвертора, выход которого подключен к первому входу второй схемы И, второй вход УЛУ является вторым входом второй схемы И, выход которой соединен с первым входом третьего триггера, выход которого подключен к управляющим входам четвертого и пятого ключей, выход первого источника питания соединен с входом первого замыкающего контакта кнопки, выход которого подключен ко входам первого нормально замкнутого и второго и третьего замыкающих контактов четвертого ключа, выходы первого и второго контактов которого, соединенные между собой, являются первым выходом УЛУ, выход третьего замыкающего контакта четвертого ключа подключен к входу первого источника питания, выход второго источника питания соединен с входом второго замыкающего контакта кнопки, выход которого подключен к входам первого нормально замкнутого и второго, и третьего замыкающих контактов пятого ключа, выходы первого и второго контактов которого, соединенные между собой, соединены с входом замкнутого контакта тумблера, выход которого является вторым выходом УЛУ, выход третьего замыкающего контакта пятого ключа подключен к входу второго источника питания.