Способ преобразования перемещения в код и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК H03M1/24 

Изобретение (упюс.ится к автоматике и нычислительной технике и предназначено для преобразования линейных И.ПИ угловых положений объектов в цифровой код. Цел.ью изобретения является повышение точности способа и устройства На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для преобразования перемещения в код; на фиг. 2 - принцип образования муаровой картины и ее обработки; на. фиг.З блок-схема блока измерения числа периодов . Устройство содержит излучатель Ij лимб 25 преломляющее зеркало 3, оптическую систему 4 из объективов 5, преломляющее зеркало 6, диафрагму 7, фотоприемники 8, сумматоры 9 и 10, пороговые элементы 11 и 12, фазовый компаратор 13, счетчик 14, блоки 15 и 16 умножения, блок 17 из числа периодов, преобразователь 18 амплитудно-модулированных сигналов в код. Лимб 2 имеет дорожку 19, а блок 17 измерения числа пе риодов содержит нуль-органы 20 и 21, инвертор 22, одновибраторы. 23 и 24, элементы И-НЕ 25-27, триггер 28 счетчик 29 Способ преобразования угла поворота вала в код заключается в следу ющем , Оптическая система 4, состоящая из объективов 5 и зеркал 3 и 6, проектирует изображение участка кодовой дорожки лимба 2, расположенно го над излучателем 1 на диаметрально противоположном участке той же дорожки, вблизи которого расположен диафрагма 7. Диафрагма 7 представля ет из себя два окна определенных размеров, вырезающих два участка му аровой картины. Муаротвая картина со дается за счет того, что коэфсЬициент увеличения проекционной системы выбирается несколько больше I„ Принцип обработки муаровой карти ны дорожки 19 показан на фиг, 2, гд 30 и 31 - отверстия диафрагмы 7, за которыми размещены фотоприемники 8, 32 - распределение интенсивности св та в плоскости диафрагмы 7, 33 участок щтриховой дорожки лимба 2, 34 - изображение противоположного участка лимба 2. 0 Период Z муаровой картин 1 в плоскости диафрагмы 7 определяется из соотнощения ()i - |-- , () где п - число штрихов (номинального размера без увеличения) в периоде; i - коэффициент увеличения проекционной системы. Для фазовой обработки муаровой картины и получения сигналов, пропорциональных sincp и costp, размеры отверстий 30 и 31 диафрагмы 7 и расстояние L между ними должны вы- бираться определенным образом. Распределение интенсивности света в муаровой картине имеет вид треугольной пилы и при разложении в ряд Фурье она содержит только нечетные пространственные гармоники, причем амплитуда К-й гармоники затухает пропорционально 1/К . Если ширина отверстия 30 или 31 диафрагмы 7 выбирается равной (где TO - номинал1 ный линейный размер периода муара), то амплитуда 3-й пространственной гармоники на фотоприемнике 8 обращается в нуль, так как она усредняется точно на периоде; амплитуды 5-й и более высоких гармоник при этом не превышают ,01 от амплитуды 1-й гармоники. При перемещении лимба 2 сдвигается вся муаровая картина, причем сдвигу лимба 2 на толщину одного штриха кодовой дорожки соответствует сдвиг муаровой картины точно на период, и эта закономерность не зависит от увеличения i и от длины периода Т муара (в см). Таким обра-; зом, цена одного периода муара, выраженная через угол поворота лим-. ба 2, есть величина постоянная, определяемая только числом штрихов на дорожке лимба 2. Поэтому в грубом отсчете угла С| , получаемом счетом числа периодов муара, ошибок от изменения периода Т или увеличения i не возникает. В то же время фазовая обработка муаровой картины внутри периода, необходимая для точного отсчета угла ср , при изменении периода Т (или увеличения i) дает ошибки, так как эта обработка производится при фиксированном расстоянии L между отверстиями 30 и 3 диафрагмы 7. Причины появления этой ошибки видны из фиг. 2. Если период Т равен точно номинальному значению Т (увеличение i равно номинальному значению ij,), то с фотоприемников 8 снимаются сигналы ср и if , сдвиг фаз между которыми равен точно 90 (или ), т.е. эти сигналы в соответствии с фиг. 2 пропорционал ны u UoSincf, u -UoCOSc/, (2) где UQ - амплитуда переменной составляющей в интенсивности света. С помощью сигналов U и U можно точно вычислить фазовый сдвиг ц муаровой картины. Методы определения Cf по сигналам U и U могут быть различны - то вычисления по формуле q arcsin и /и (ср -ягссоз U /U ) до прямого преобразования сигналов и и и в величину угла. Фазовый сдвиг между сигналами и и и равен и его отличие от номинального значения составит ДС1 |Т( 1 -1).. (4) Учитывая зависимость периода Т от увеличения i(Т --- ), нетрудно оп ределить, что при i 1 величина может изменяться весьма существенн даже при незначительном изменении увеличения i. Для исключения ошибок в способе и устройстве использован метод фазовой обработки муаровой картины, который позволяет с помощью измеря емых сигналов и и и образовать в личину, пропорциональную перемещению лимба и инвариантную к увеличе нию проекционной системы и соответ ственно к длине периода Т. Принцип получения этой величины Основан на том, что при изменен увеличения системы 4 не изменяетс положение элемента изображения, ра положенного на оптической оси сист мы 4. 04 При перемещении лимба 2 на угол ( муаровая картина сдвигается. При этом поворота ( лимба 2 точно соответствует величина S , вьфаженная в долях периода Т, т.е. в угловой мере. Этот факт следует из того, что при Cf 0 , а при сдвиге кодовых дорожек на один период положение сдвинется тоже на период,неэависимо от длины периода Т. Пренебрегая постоянной составляющей, которая может быть учтена один раз, выражение для величины угла S , в точности пропорционального углу поворота лимба, имеет вид с;+ 1дс|) , где йСр отклонение фазового сдвига между сигналами от номиналь ного значения 90 или 270 . Устройство,реализующее способ работает следующим образом. Выходные сигналы с фотоприемни- ков 8, которые выполнены в виде двух площадок, чувствительных к свету и находящихся против отверстий 30 и 3 диафрагмы 7, поступают на сумматоры 9 и 10, а затем на пороговые элементы 11 и 12. После преобразования они поступают на блоки 17 и 18. Выходные сигналы последних (грубый отсчет) и (точный отсчет) содержат полную информацию об измеряемом угле и используются для выработки кода, пропорционального углу ср . Однако сигналы фотоприемников 8 содержат фазовую погрешность йСР . Для компенсации этой погрешности используются фазовый компаратор 13, счетчик 14, блоки 15 и 16, Компенсация фазовой погрешности состоит в том, что в каждом периоде выходного сигнала определяется знак этой погрешности, и в этом же периоде уменьшается на один дискрет ее величина,. Знак фазовой погрешности дер определяетсА фазс1вым компаратором 13, выходной сигнал которого (1 1; , еь|у OjuCf O. Это может быть достигнуто, например, путем сравнения по времени передних фронтов выходных сигналов двух компараторов напряжения, один из которых сравнивает синусный и косинусный сигналы, а второй - синусный сигнал с постоянным уровнем, и последующей логической обработкой результатов этого сравнения. Выходной сигнал с компаратора 13 поступает на информационный вход счетчика 14. Тактовый вход последнего сое динен с выходом блока 17, соответствующих числу периодов муаровой картины. Этим достигается обновлени информации на выходе счетчика 14 по еле каждого периода муаровой картины. Блок 17 измерения числа периодов преобразует входные сигналы следующим образом , С выходов нуль-органов 20 и 21 сигналы, нормированные по амплитуде поступают на входы элементов 2.2-26. Одновибраторы 23 и 24 вырабатывают импульсы, открывающие на короткое время элементы И-НЕ 25 и 26, При со падении полярности сигнала с выхода нуль-органа 21 (или 22) с сигналом одновибратора 23 (или 24) элемент И НЕ 25 (или 26) открывается. Через элемент И-НЕ 27 импульс поступает на счетный вход счетчика 29, который его просчитывает и формирует код перемещения лимба 2. Триггер 28 управляет работой счетчика 29. В случае появления на его выходе сигнала логической 1 счетчик-29 работает в режиме сложения, логического О в режиме вычитания, Блоки 15 и 16 производят умножение выходного кода счетчика 14 на синусный и косинусный сигналы. Выходные сигналы блоков 15 и 16 могут быть записаны в следующем виде Х-0,5т ,, Х-0,5т вы, . U,,,,cosq .- -

где X - текущий код счетчика 14;

m - полная емкость счетчика 14. Если выходной код счетчика 4 равен половине его полной емкости (,5т)., то выходные сигналы блоков 15 и 16 равны нулю и в сумматорах 9 и 10 компенсирующие сигналы отсутствуют. Допустим, что при этом фазовая погрешность входных сигналов равна +дср. Такая ситуация может возникнуть, например, после включения питания и принудительной начальной установки счетчика 14..Ввиду того, что пороговые элементы 11 и 12 фазу сигналов не меняют, между сигналами sincp и cosq) фазовая погрешность такобретения

Формула

1. Способ преобразования перемещения в код, основанный на формировании оптического излучения, одновременном модулировании оптического излучения первым и вторым участками дорожки кодового лимба со штрихами, суммировании модулированных оптических сигналов, преобразовании суммарного оптического сигнала в два электрических синусоидаль- ных сигнала, сдвинутых по фазе на 90 -t-ucp, где Дер - ошибка сдвига фазы, и амплитуда которых пропорциоже будет равна +ЛЦ). Тогда выходной сигнал фазового компаратора 13 в первом периоде будет равен е щнице и счетчик 14 с приходом .тактового импульса увеличит выходной код на один дискрет. Выходные сигналы блоков 15 и 16 при этом будут равны: что приведет к уменьшению фазового сдвига выходных сигналов на 1 дискрет. В следующих периодах сигнала фазовый сдвиг будет уменьшаться таким же образом до тех пор, пока его величина не станет меньше 90 , т.е. . При этом выходной сигнал фазового компаратора 13 в течение следующего периода будет равен нулю, и счетчик 14 уменьшит выходной код на единицу младшего разряда, что приведет к увеличению фазового сдвига на один дискрет. Таким, образом, установится состояние динамического равновесия, когда величина фазового сдвига будет поддерживаться равной 90 с ошибкой в 1 дискрет. Так как выходные сигналы блоков 15 и 16 равны между собой по величине, то и изменения фазовых погрешностей для синусной и косинусной составляющих будут одина.ковы и равны Поэтому в соответствии с выражением (5) вычисляемая величина фазового сдвига муаровой картины cp.ro становится независимой от увеличения проекционной системы и всегда равна (с точностью до единицы младшего разряда) углу поворота лимба 2. нальна переметению кодового лимба со штрихами, формировании кода точ ного отсчета, пропорционального пе ремещению кодового лимба со штриха ми в пределах двух соседних штрихов, амплитудном квантовании двух электрических синусоидальных сигна лов, формировании кода грубого отсчета, подсчете числа переходов че рез нулевое значение двух электри ческих синусоидальных сигналов, отличающийся тем, что с целью повышения точности преобра зования, в нем фазы двух электриче ких синусоидальных сигналов сравнивают и при отличии фаз от 90 на uq формируют сигнал X рассогласования, пропорциональный uq , формируют два корректирующих сигнала умножением амплитуды каждого из двух электрических синусоидальных Х-0,5т сигналов на где то - максимальная величина сигнала X рассогласования, суммируют амплитуды двух электрических синусоидальных сигналов с амплитудами соответствующих корректирующих сигналов. 2. Устройство для преобразования перемещения в код, содержащее излучатель, оптически соединенный через первый участок кодовой дорож ки лимба, первое преломляющее зеркало, оптическую систему, второе преломляющее зеркало, второй участок кодовой дорожки лимба и диафрагму с фотоприемниками, два сумматора, два пороговых элемента, преобразователь амплитудно-модулированных сигналов в код, блок изме рения числа периодов, о т л и ч а 608 ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, в него введены фазовый компаратор,счетчик, два блока умножения, фотоприемники разнесены между собой вдоль кодовой дорожки на расстояние ,75T, где TO - номинальный линейный размер периода муара растрового сопряжения первого и второго участков кодовой дорожки лимба, выходы фотоприемников соединены с первыми входами соответствующих сумматоров, выходы которых соединены с входами соответствующих пороговых элементов, выход первого порогового элемента соединен с первыми входами фазового, компаратора, первого блока умножения, преобразователя амплитудно-модулированных сигналов в код и блока измерения числа периодов, выход второго порогового элемента соединен с вторыми входами блока измерения числа периодов, преобразователя амплитудНо-мрдулированных сигналов в код, фазового компаратора и с первым входом второго блока умножения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход фазового компаратора соединен с информационным входом счетчика, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго блоков умножения, выход первого блока умножения соединен с вторым входом второго сумматора, выходы преобразователя амплитудно-модулированных сигналов в код и блока измерения числа периодов являются выходами точного и грубого отсчетов устройства, выход блока измерения числа периодов соединен с тактовым входом счетчика.

3fpnaflo

Put. f

pja ra;pji V/J мигцкящщ

a ка Ki ttsT иЯ да IИ т ga far

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и предназначено для преобразования линейных или угловых перемещений в цифровой код. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Для этого в известном способе, основанном на формировании оптического излучения, модулировании оптического излучения двумя участками дорожки кодового лимба, суммировании модулированных оптических сигналов, преобразовании их в электрические синусоидальные сигналы, сдвинутых по фазе на 90 + + Щ, где ucf - ошибка сдвига фазы, . и амплитуда которых пропорциональна перемещению кодового лимба, формировании кода точного и грубого отсчетов, сравнивают фазы электрических синусоидальных сигналов и при отличии их от 90 на utp формируют сигнал X, пропорциональный 4tp , формируют два корректирующих сигнала умножением каждого электрического синусоидального сигнала на 1/ /(Х-0,5т), где га - максимальная величина сигнала X, суммируют ампЛитуды электрических синусоидальных сигналов с амплитудой соответствующих корректирующих сигналов. Одновременно в устройство, содержащее излучатель,лимб, оптическую систему из объективов, диафрагму, фотоприемники, два сумматора, два пороговых элемента, блок измерения числа периодов в преобразователь амплитудно-модулированных сигналов в код, введены фазовый компаратор и два блока умножения. При вращении (или перемещении) лимба на выходах фотоприемников формируются сигналы, / амплитуда которых определяется видом растра от сопряжения двух участков кодовой дорожки лимба. Блоком измерения числа периодов и преобразователем амплитудно-модулированных сигналов в код эти сигналы преобразу- ются в цифровой код грубого и точного отсчетов. Для компенсации погрешности с пороговых элементов сигналы поступают На входы фазового компаратора. Временной интервал между сигналами заполняется импульсами в счетчике, причем импульсы формируются в канале точного отсчета. В блоках умножения эти сигналы перемножаются с соответствующими сигналамисвыхода пороговых элементов. Полученньй корректирующий сигнал подается на вторые входы сумматоров, где они компенсируют погрешность, вызванную несовершенством кодовой дорожки лимба. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.