Преобразователь перемещения в код Советский патент 1987 года по МПК H03M1/10 

1

13241

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в автоматических манипуляторах, роботах, автоматизированных системах в качестве преобразователя линейных перемещений в код.

Целью изобретения является повышение технологичности и точности преобразователя.

На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг.2 - схема усилителя; на фиг.З - вольтмет- рические характеристики считывающих элементов преобразователя.

Преобразователь содержит датчик 1 перемещения со считывающими элементами 2 и 3 и модулятором А, генератор 5, элементы 6-9 задержки, ключи 10 и 11, элементы ИЛИ 12 и 13, усили- тель 14, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15, регистры 16 и 17, арифметический блок 18. Усилитель 14 содержит коммутатор 19, конденсаторы 20 и 21, п-р-п-транзисторы 22-27, по левые транзисторы 28 и 29, резисторы 30 и 31. Ключи 10 и 11 содержат п-р- п-транзисторы 32 и 33 и токозадающие элементы 34-37.

Преобразователь работает следующим образом.

Генератор 5 создает периодические импульсные сигналы напряжения прямоугольной формы, служащие для возбуж- дения считывающих элементов 2 и 3 и обеспечения функционирования схемы обработки сигналов.Задержанные элементом 6 задержки сигналы открывают транзистор 32, который преобразует импульсы напряжения в импульсы тока возбуждения, амплитуда которого ограничивается токозадающими резисторами 34 и 35. В момент нарастания фронта импульса тока возбуждения напряжение на индуктивностях полосковых проводников при перемещении модулятора 4 относительно считывающего элемента 2 изменяется по закону

HiТ Т -is- , ° dt

L - погонная индуктивность полосковых проводников; Г - длина полоскового проводника с одной стороны от оси симметрии считьгаающего элемента 2.

ll2

Поскольку индуктивности проводников с разных сторон от оси симметрии считывающего элемента равны и сопротивления токозадающих резисторов 3 и 35 равны, то и напряжения на индуктивностях полосковых проводников ра1№ы, т.е.

и.

и.

L I i

т

где I - амплитуда тока возбуждения

транзистора 32;

1 - постоянная времени нарастания фронта импульса тока возбуждения.

Напряжения на индуктивностях подаются на входы усилителя 14, построенного на дифференциальной схеме.

Усилитель (фиг.2) работает следующим образом.

В начале такта измерения по приходе импульса напряжения генератора 5 происходит запирание коммутатора 1 и конденсаторы 20 и 21 заряжаются до напряжения +Е. После заряда конденсаторов 20 и 21 и размыкания коммутатора 19 усилитель 14 готов к приему информационных сигналов. Напряжения и и Uj считьшающего элемента воздействуют на базы дифференциальной пары п-р-п-транзйсторов 22 и 23. Во время появления информационных сигналов с выходов ключа 10, которое соответствует фронту импульса ма выходе элемента 6 задержки, на управляющий вход усилителя 14 приходит импульс напряжения, который открывает транзистор 26, выполняющий фуйк цию генер 1Тора тока. При этом ток транзистора 26 протекает через транзисторы 22 и 23, распределяясь между ними пропорционально величине информационных напряжений на базах этих транзисторов, и разряжает конденсаторы 20 и 21. Напряжения конденсаторов 20 и 21 воздействуют на затворы полевых транзисторов 28 и 29, включенных по схеме истоковых повторителей и обеспечивающих очень низкий то разряда конденсаторов 20 и 21 и практически неизменное выходное напряжение e.(S) на выходах усилителя 14 на период следования импульсов тока возбуждения.

Через интервал времени, равный задержке импульса на элементе 7 и оп- ределяемьв временем цифроаналогового преобразования и занесения в промежуточный регистр тока e,(S), задержан31324

ный элементом 7 импульс напряжения через элемент ИЛИ 12 поступает на вход усилителя 14 и запирает коммутатор 19, ;в результате чего конденсаторы 20 и 21 снова заряжаются до напряжения +Е. После заряда конденсаторов 20 и 21 усилитель 14 вновь готов к приему сигналов. Напряжения U, и U считывающего элемента 3 при возбуждении его им

пульсом тока транзистора 33 от эле- мента 8 воздействуют на базы дифференциальной пары транзисторов 24 и 25. При этом импульс напряжения элемента 8 приходит на вход усилителя 14 и открывает транзистор 27, выпол- няющий также функцию генератора тока. Ток транзистора 27 протекает через транзисторы 24 и 25, распределяясь между ними пропорционально величине входных напряжений на базах этих транзисторов, и разряжает конденсаторы 20 и 21, Напряжения конденсаторов 20 и 21 воздействуют на затворы полевых транзисторов 28 и 29, и на выходах усилителя 14 появляется уровень напряжения, соответствующий разности напряжений на полосковых проводниках считывающего элемента 3 Это напряжение сохраняется на выходе усилителя 14 до прихода следующего импульса генератора 5. Это время определяется временем цифроаналогового ;преобразования, арифметических вычислений и занесения результата в регистр 17.

Усилитель 14 собран по схеме выборки и запоминания с включением входных дифференциальных каскадов по схеме ШШ с управлением генераторов тока в цепи эмиттеров этих дифференциаль- ных каскадов. Результирующий сигнал на выходе усилителя 14 равен разности напряжений на его входах, умноженной на коэффициент усиления К,.. В момент нарастания фронта импульса возбужде- ния результирующий сигнал на выходе усилителя 14 равен нулю, так как

и,

и

г

вых

(и, - u,j)K,j . 0.

Поскольку над считьшающим элементом 2 расположена проводящая поверхность модулятора 4, то в момент нарастания фронта импульса тока возбуж-55 дения в результате проникновения магнитного поля тока в металл поверхности модулятора 4 в -ней возникают

114

вихревые токи, магнитное поле которых направлено встречно магнитному полю тока в полосковых проводниках. В результате вычитания полей индуктивность полосковых проводников будет уменьшена. Это уменьшение характеризуется коэффициентом модуляции S , где Ь„ - погонная индуктивность полосковых проводников, образующих считывающий элемент 2, при наличии модулятора 4 над считывающим элементом 2. Модулятор 4 перекрывает считывающий элемент 2 на длине Ь, где b - ширина модулятора 4, равная половине ширины считывающего элемента 2, которая задается длиной параллельных последовательно соединенных участков полосковых проводников. Длина Г полоскового проводника, образующего половину считьшающего элемента 2 (с одной стороны от его оси симметрии) равна Г Ьп, где п - число параллельных участков полоскового проводника. С учетом воздействия модулятора 4 индуктивность полоскового проводника, образующего половину считывающего элемента 2 (с одной стороны от его оси симметрии), равна

L/S)Lj| + 5)п+.Ц(| - S)n,

где S - величина смещения оси модулятора 4 от оси симметрии считывающего элемента 2. Индуктивность полоскового проводника, образующего вторую половину считывающего элемента 2 (с другой стороны от его оси симметрии), соответственно равна

L,(S) L,(| - S)n+SL(| + S)n.

Напряжения на индуктивностях полосковых проводников, образукяцих считывающий элемент 2, в момент форг мирования фронта импульса тока возбуждения соответственно равны:

и, (S) ||L,(1 +)+S(1-S)) ,

. U,(S) |Ч,(НП- S(1-S .

Указанные напряжения подаются на дифференциальные входы усилителя 14, в котором разность этих напряжений усиливается и преобразуется в пос5 13241 тоянное напряжение e(S) на период следования Импульсов тока возбуждения, Такое преобразование достигается запоминанием усиленной разности амплитудных значений входных напряжений 5 усилителя 14 на конденсаторах 20 и 21 Выходное напряжение усилителя 14 равно

поступает на вход аналого-цифрового е, (S) (U,-Uj)K )n. ( D O преобразователя 15, где оно по сиг

Это напряжение поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 15, где оно по сигналу злементы ИЛИ 13, соответствующему задне1- у фронту импульса элемента 6, преобразуется в цифровой код, который заносится в регистр 16 по тому же сигналу элемента 6.

После занесения цифрового кода, соответствующего амплитуде сигналаe,(S) считанного с элемента 2, задержанные элементами 7 и 8 импульсные сигналы открывают транзистор 33, который, так жеJкак и транзистор 32, преобразует импульсы напряжения в импульсы тока возбуждения считывающего элемента 3. Амплитуда тока возбуждения ограничивается токозадающими резисторами 36 и 37. Считывающий элемент 3 расположен в одной плоскости с элементом 2, их оси симметрии параллельны и расстояние между ними равно и. Считывающие элементы 2 и 3 модулируются одним модулятором 4, которьй смещается в направлении, перпендикулярном осям симметрии элементов 2 и 3. Ось модулятора 4 параллельна осям-симметрии считывающих элементов 2 и 3 и расположена между ними. Напряжения на индуктивностях печатных полоско- вых проводников, образующих считывающий элемент 3, в момент нарастания фронта импульса тока возбуждения транзистора 33 с учетом положения модулятора 4 над считывающими элементами 2 и 3 равны:

U,(S) || LJ|(1+S) +(u-S) (1-5)1 п

U(S) (и) - (u-S)(1-S) п,

где U - расстояние между осями сим-

метрии считываюгдих элементов . . 2 и 3. Напряжения U, и И подаются на диф

116

ференциальные входы усилителя 1. Разность этих напряжений усиливается усилителем 14 и запоминается на конденсаторах 20 и 21. Выходное напряжение усилителя 14, равное

e,j(S) - K,jL(b-S)(1-S)n, (2)

налу элемента ИЛИ 13, соответствующему заднему фронту импульса элемента 8, преобразуется в цифровой код, который пойтупает на вход арифметического блока 18.

3 арифметическом блоке 18 сигнал с выхода регистра 16 умножается на величину л, суммируется с сигналом с выхода АЦП 15, и результат умножения делится на полученную сумму. Таким образом, в арифметическом блоке 18 коды e,(S) и eyCS) обрабатываются по формуле

5 Q

о

5

(3)

5

о ie,(S)

e;((s)

где S - смещение оси модулятора 4 относительно оси симметрии первого считывающего элемента 2.

С выхода арифметического блока 18 код значения S поступает на вход регистра 17, в который он заносится по заднему фронту импульса элемента 9 и хранится до прихода следующего импульса с этого элемента задержки, На этом заканчивается измерение и преобразование в цифровой код положения модулятора 4 относительно неподвижных считывающих элементов 2иЗ. Анализ формулы (3) показывает, что на конечный результат не влияют де- стабилизируюпще факторы, например изменение Е;ЫСОТЫ модулятора 4 над считывающими элементами 2, 3 и параметров импульсов тока возбуждения I., и б. При этом Б одинаковой пропоро

ции изменяются величины е, и e,j, а конечный результат S остается без изменений.

Для доказатбшьства достоверности определения S рассмотрим вольтметри- ческие характеристики 38 и 39 считывающих элементов 2 и 3 при смещении модулятора 4 относительно них на участке д (фиг.З). Согласно вьфаже- ниям (1) и (2) характеристики е,(5)и e(S) линейны.

При S О

е,(0) О, е,(0) ii (1-g )пК

При S

е,(л) - (1-)nK,, ,0

ej,(u) 0. Сумма е. + е й(1-)пКц посZ. С J

тоянна на интервале от О до и .

Из геометрии вольтметрических характеристик е, f(S) и е f(S) выводится соотношение

Ье,

е е

Таким образом, преобразователь обеспечивает высокую точность, не зависящую от дестабилизирующих факто ров (изменение высоты модулятора 4 и параметров импульсов тока возбуждения) . Использование считывающих элементов 2 и 3 в виде полосковых Проводников, расположенных в одной плоскости с двух сторон от оси симметрии и содержащих несколько параллельных последовательно соединенных участков, перпендикулярных оси симметрии, ведет к улучшению технологичности преобразователя, так как допускает возможность изготовления по технологии одНостроеннего печатного монтажа.

Формула изобретения I

1, Преобразователь перемещения в код, содержащий генератор, выход которого соединен с входом первого элемента задержки, выход которого соединен с входом второго элемента задержки, с входом первого ключа и с первым входом-усилителя, датчик перемещения, выполненный на подвижном модуляторе из проводящего .материала и первом считывающем элементе, расположенном под модулятором и соединенном с общей пшной питания, первмй выход ключа соединен с первьм входом датчика перемещения, выходы усилителя соединены со входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с информаци,0

20

25

30

35

40

45

50

55

онными входами первого регистра, отличающий с я тем, что, с целью повышения технологичности и точности преобразователя, в него введены третий и четвертый элементы задержки, второй ключ,-два элемента ИЛИ, второй регистр, арифметический блок, второй считывающий элемент,- подвижный модулятор датчика перемещения выполнен в виде прямоугольной пластины шириной, равной половине ширины каждого из считывающих элементов, ось подвижного модулятора параллельна . . осям симметрии первого и второго считывающих элементов, первый и второй считывающие элементы выполнены из двух печатных полосковых проводников каждый,расположенных в одной плоскости и содержащих N параллельных последовательно соединенных участков,перпендикулярных оси симметрии,оси симметрии первого и второго считывающих элементов расположены на расстоянии, равном одной четверти ширины считывающего элемента, выводы полосковых проводников первого и второго считывающих элементов являются первым и вторым, третьим и четвертым входами датчика перемещения соответственно, второй выход первого ключа соединен с вторым входом датчика перемещения, первый и второй выходы второго ключа соединены с третьим и четвертым входами соответственно датчика перемещения, выход второго элемента задержки соединен с входом третьего элемента задержки и с первым входом первого элемента ИЛИ, выход третьего элемента задержки соединен со входом четвертого элемента задержки, с входом второго ключа, с первым йходом второго элемента ИЛИ и с вторым входом усилителя, выход генератора соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом усилителя, выход первого элемента за- - держки соединен с первым входом первого регистра и с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом арифметического блока и вторым входом первого регистра, выход которого соединен с вторым входом арифметического блока, выход которого соединен с первым входом второго регистра, выход которого является выходом преобразовате9

ля, выход четвертого элемента задержки соединен с третьим входом арифметического блока и вторым входом второго регистра, выходы первого и второго ключей соединены с четвертым, пятым, шестым и седьмым входами усилителя соответственно,.

2, Преобразователь по n.l, отличающийся тем, что усилитель содержит шесть п--р-п-транзис- торов, два полевьгк транзистора, два резистора, два конденсатора, коммутатор, первый и второй входы коммутатора, вьгаоды стока первого и второго полевых транзисторов соединены с ши- f5 ной положительного питания, вход управления ко мутатора является третьим входом усилителя, первый выход коммутатора соединен с коллекторным

выводом первого п-р-п-транзистора, с 20 вьгаодом затвора первого полевого транзистора, с первым выводом первого конденсатора и с коллекторным выводом зто- рого п-р-п-транзистора, второй выход коммутатора соединен с коллектор-25 ным выводом третьего п-р-п-транзис132411110

тора, с первым вьшодом второго конденсатора, с выводом затвора второго полевого транзистора и с коллекторным выводом четвертого п-р-п-транзистора, 5 вторые выводы первого и второго конденсаторов соединены с шиной нулевого потенциала, базовые вьтоды первого, второго, третьего и четвертого п-р-п- транзисторов являются четвертым, шес- fO тым, пятым и седьмым входами усилителя соответственно, эмиттерные выводы первого и третьего, второго и четвертого п-р-п-транзисторов соответственно объединены и соединены с коллекторными выводами пятого и. шестого п-р-п- транзисторов соответственно, базовые выводы которых являются первым и вторым входами усилителя соответственно, эмиттерные вьтоды пятого, и шестого п-р-п-транзисторов подключены к шине отрицательного питания, выводы истоков первого и второго полевых транзисторов через соответствующие резисторы соединены с йиной нулевого потенциала и являются выходами усилителя . I

теля . I

fuff

n

сич

т 1

20

сич

1

20

2J

28

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Для повышения технологичности и точности в преобразователь, содержащий генератор, два элемента задержки, усили- тель; первый ключ, аналого-цифровой преобразователь, первый регистр и датчик перемещения на одном считывающем элементе и модуляторе, введены два элемента задержки, второй ключ, два элемента ИЛИ,-второй регистр, арифметический блок, второй считывающий элемент. Модулятор выполнен из прямоугольной пластины шириной, равной половина ширины каждого из считывающих элементов, считывающие элементы выполнены из двух печатных по- лосковьк проводников каждый, расположенных в одной плоскости и содержащих параллельные последовательно соединенные участки. При перемещении модулятора относительно первого считывающего элемента на его вькодах формируется сигнал, пропорциональный этому перемещению. Питание обоих считывающих элементов обеспечивается генератором через соответствукнцие элементы задержки и ключи. Этот сигнал подается в усилитель, собранньй по дифференциальной схеме с запоминанием. Выходной сигнал усилителя пропорционален разности напряжений на его информационных входах. Аналого-цифровым преобразователем сигналы с выхода усилителя преобразуются в цифровой код, которьй заносится в первый регистр по команде с соответствующего. элемента задержки. Преобразование положения модулятора относительно второго считывающего элемента осуществляется аналогично в следующем цикле преобразования. Полученный таким образом сигнал преобразуется в цифровой код и обрабатывается вместе с первым сигналом в арифметическом блоке. На его выходе формируется код, пропорциональный перемещению модулятора относительно считывающих элементов. Этот код регистрируется вторым регистром. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. С

т

. y

ь.

ф1/.2

фиг.З

ВНИИПИ Заказ 2972/56 Тираж 901 Подписное Произв-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4