Фотоэлектрический преобразователь перемещения в код Советский патент 1991 года по МПК H03M1/24 

сл

с

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, предназначено для применения в системах автоматического регулирования и управления. Целью изобретения является повышение точности преобразователя. Цель достигается тем, что в фотоэлектрический преобразователь пе: ремещения в код, содержит осветитель 1, подвижные лимбы 2 и 3 с растровыми дорожками, фотоприемники 5-7, нуль-органы 17-19, триггер 20, элементы И 21 и 22, счетчик 23 и регистр 24, введены неподвижный лимб 4, нормирующие резисторы 8-13 и

о VJ

о о

hO

дифференцирующие усилители 14-16. В лимбе 4 выполнены окна считывания, кратные шагу соответствующей растровой дорожки. Каждая из растровых дорожек выполнена в виде наклонных штрихов с углом наклона а arctg hi/Wi, где hi - высота Окна считывания; wi - шаг р астра соответствующей дорожки. Выполнение растров

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, предназначено для применения в системах автоматического регулирования и управления.

Целью изобретения является повышение точности преобразователя.

На фиг.1 показана структурная схема фотоэлектрического преобразователя пе- ремещеяия в код; на фиг.2 - временная диаграмма сигналов, поясняющая работу преобразователя; на фиг.З - предлагаемое сопряжение штрихов одной растровой дорожки подвижного лимба с окнами считыва- ния на индикаторном лимбе. Преобразователь содержит осветитель 1, два соосных и независимо вращающихся на своих осях лимба 2 и 3, с нанесенными на каждом лимбе тремя растровыми дорожками соответственно с числом штрихов N, (N + 1) и N(N+1), неподвижный индикаторный лимб 4 с окнами считывания, фотоприемники 5-7, шесть нормирующих элементов, выполненных на резисторах 8- 13, три дифференциальных усилителя 14- 16, три нуль-органа 17-19, триггер 20, два элемента И 21 и 22, счетчик 23, регистр 24.

Преобразователь работает следующим образом.

Световой поток от осветителя 1 к фотоприемникам 5-7 проходит последовательно через растровое сопряжение на лимбах 2 и 3 и через окна считывания на индикаторном лимбе 4. Растровое сопряжение включает две идентичные системы растровых решеток, каждая из которых состоит из трех растровых дорожек с числом штрихов N, (N+1) и .N(N+1). Лимбы 2 и 3 и индикаторный лимб 4 установлены соосно друг другу. При относительном вращении растров 2 и 3 с некоторой угловой скоростью (Убудет происходить модуляция прохо- дящего через растровое сопряжение светового потока, которая преобразуется фотоприемниками 5, 6 и 7 в электрические сигналы 25, 26 и 27 (фиг.2а,б,в) вида

позволяет исключить паразитную модуляцию входного сигнала и устранить неравномерность чувствительности кристалла фотоприемника. Применение дифференциальных усилителей позволяет устранить паразитные засветки, что в целом ведет к повышению точности преобразователя. 3 ил.

UN Um slnNon;(1)

U(N+i) Um- sin(N+1) cot;(2)

UN{N+1) Um SlnN(N+1) 0)1.(3)

Периоды этих сигналов соответственно пропорциональны

т т - 2 п т 2л

11 N ; 2 N + 1 3 N(N +1)

По мере разворотов растровых дисков 2 и 3 сигналы 25 и 26 смещаются относительно друг друга по временной фазе. Приращение временного фазового сдвига Д р между сигналами 25 и 26 при угловом смещении растров на один шаг растровой дорожки с числом штрихов N составляет Д( 2я 2л: 2л: а и 2 N N + 1 N(N +1)

(4)

Но именно этому временному фазовому сдвигу Ду равен период сигнала 27 (фиг.2в) с растровой дорожки, на которой нанесено N(N+1) штрихов. Учитывая это, временной фазовый сдвиг между сигналами 25 и 26 в случае относительного разворота на угол, соответствующий I целым шагам растровой дорожки с числом штрихов N, будет

О тт

равен AЈ. Kt /м л. л что соответствует i

периодам сигнала 27, которые разместятся во временном интервале, равном этому фазовому сдвигу. При этом только в одном положении фазы сигналов 25 и 26 совпадут (фиг.2а,б) и это положение, в котором A (fn 0 , принимается за начало отсчета.

Сигналы 25, 26 и 27 поступают соответственно на прямые входы дифференциальных усилителей 14, 15 и 16, к инверсным входам которых попарно подключены своими первыми выводами нормирующие резисторы 8-9. 10-11, 12-13, при этом вторые выводы нормирующих резисторов первой, второй и третьей пары подключены соответственно к выходам фотоприемников 6 и 7, 5 и 7, 5 и 6, Сигналы с выходов дифференциальных усилителей 14-16 поступают на вхо

ды нуль-органов 17-19, в которых формируются импульсы 28, 29 и 30 (фиг.2д,е, г), в моменты перехода периодических сигналов 25, 26 и 27 через нуль в положительном направлении. Импульсы 28, 29 управляют триггером 20, на прямом выходе которого формируется прямоугольный импульс 31 (фиг.2ж), длительность которого равна временному фазовому сдвигу сигналов 25 и 26, а на инверсном выходе формируются прямоугольные импульсы 32 (фиг.2и). Импульсы 31 и 32 соответственно поступают на первые входы элементов И 21, и 22, на вторые входы которых подаются импульсы, сформированные нуль-органом 19 по нуль-переходам сигнала 27. С элемент И 21 в счетчик 23 поступают импульсы 33 (фиг.2з), количество которых в каждом цикле преобразования равно целому числу шагов растровой дорожки с числом штрихов N, на которые произведен взаимный разворот лимбов 2 и 3. Таким образом, эквивалентом угла поворота на целое число шагов растровой до- оожки с числом штрихов N является число импульсов 33, сформированных из сигнала 27, которое укладывается во временных интервалах 31, равных временному фазовому

сдвигу Дуч м (N + 1) -где I 1.2,3

Цикл преобразования, равный периоду сигнала 25, каждый раз завершается в момент появления сигнала с нуль-органа 17, который одновременно дает разрешение на стирание в регистре 24 информации об угле, полученной в предыдущем цикле преобразования. Информация об измеряемом угле хранится в регистре 24 до момента разворота на последующий полный шаг штриховой дорожки с числом штрихов N.

Из рассмотренного видно, что предлагаемое устройство обеспечивает позиционное преобразование информации об угле поворота в диапазоне 0-360°, При этом информация выдается относительно единственного нулевого положения, которым является совпадение нуль-переходов сигналов 25 и 26 и которое принимается за начало отсчета.

Поскольку в предлагаемом устройстве перед каждым фотоприемником 5-7 располагаются окна считывания индикаторного лимба 4, ширина которых равна или пропорциональному числу шагов штрихов соответствующих растровых дорожек, то в пределах каждого окна считывания обеспечивается постоянное пропускание растров, независящее от пространственного расположения штрихов растров по отношению к окну считывания, чем исключаются ошибки.

обусловленные амплитудной модуляцией и искажениями формы выходного сигнала.

Для исключения ошибок преобразования от амплитудной модуляции выходных

сигналов, вызываемых неравномерностью распределения чувствительности вдоль образующих границ кристалла фотоприемников, штрихи на растровых дорожках каждого лимба 2 и 3 выполнены наклонными под углом

hi

d arctg -- , J wi

(6)

где hi - высота окна считывания, расположенного в соответствующей зоне штрихов с

шагом wi.

На фиг.З показано пространственное размещение со сдвигом в 1/4w окон считывания относительно расположенной перед гжми растровой дорожки с шагом w. При

этом рассматривается наиболее неблагоприятный случай, когда ширина окна считывания равна шагу штрихов, что реально имеет место в зоне сопряжения растровых дорожек с числом штрихов N и (N+1). Из

рисунка видно, что направление штрихов, проведенных под углом а, в соответствии с соотношением (6), совпадает с диагональю окна считывания (фиг.З). При этом видно, что во всех четырех случаях, которые имеют

место при последовательном перемещении растра относительно окна считывания, реализуется интегральная засветка поверхности фотоприемника в пределах окна считывания, при которой суммы проекций

засвечиваемых участков на образующие стороны окна считывания во всех случаях одинаковы, При этом совершенно очевидно, что даже при наличии неравномерности распределения чувствительности фотоприемника в направлении его образующих, сигналы с фотоприемника во всех четырех случаях будут одинаковы, т.е. амплитудная модуляция сигнала будет отсутствовать.

Для того, чтобы реализовать обтюраци- онное растровое сопряжение, при котором обеспечивается максимальная глубина модуляции, а следовательно, и максимальный модулированный сигнал, штриховая

структура преобразователя выполняется таким образом, чтобы направление наклона штрихов на растровых дорожках одного вращающегося лимба (например 2) являлось зеркальным отображением направления наклона штрихов на аналогичных растровых дорожках другого подвижного растра (например 3).

Ошибки от оптического взаимодействия каналов возникают из-за того, что

световые сигналы, промодулированные растрами с числом штрихов N, (N+1) и N(N+1), поступают не только на фотоприемники своих каналов, но и частично на фотоприемники соседних с ним каналов.

В этом случае реальные выходные сигналы имеют вид

UN Ai slnNuH +ДА2 sln(N + 1) + А Аз sln{N(N+ 1)wt. (7) A2 sfn(N+1)ut-ttAi sinNeWt + бАз (N+1)ftH; (8) UN (N + 1)Аз (N + 1)w t +d Az sin(N + 1) a) t + (5 Ai sinN o) t, (9) где Ai - амплитуда модулированного сигнала основного канала;

ДА , 5 AI- амплитуды паразитных модулированных сигналов с соседних каналов.

Из полученных выражений видно, что реальные сигналы достаточно сильно искажены из-за присутствия в них паразитных (ДА , д AI) сигналов с других каналов. Исключение паразитных составляющих из выходных сигналов в преобразователе производится тем, что в каждый канал дополни- тельно введены дифференциальные усилители 14, 15 и 16, к инверсным входам которых попарно подключены нормирую- щие резисторы 8и9,10и11, 12 и 13, номинальные значения которых выбраны из условия, чтобы выделяемые на них сигналы были равны амплитудам соответствующих паразитных сигналов ДА1 и ДАз, ДА1 и (5 Аз. д Аа AI .

Для этого вторые выводы каждой пары указанных резисторов подключаются к выходам соответствующих фотоприемников 7 и 6, 5 и 7, 6 и 5.

Но, поскольку эти сигналы суммируются с наведенными паразитными сигналами в противофазе, то на выходе дифференциальных усилителей 14,15 и 16 паразитные составляющие Д А и д AI в сигналах (7), (8) и (9) полностью скомпенсированы.

Формула изобретения Фотоэлектрический преобразователь перемещения в код, содержащий осветитель, оптически связанный через два подвижных лимба с тремя фотоприемниками, каждый из подвижных лимбов содержит по три растровых дорожки, с числом штрихов N, (N+1) и N(N+1) соответственно, три нуль- органа, выход первого нуль-органа соединен с управляющим входом регистра и с первым входом триггера, прямой выход

которого соединен с первым входом первого элемента И,выход которого соединен с тактовым входом счетчика,выходы которого соединены с информационными входами

регистра, выход второго нуль-органа соединены с вторым входом триггера, инверсный выход которого соединен с первым входом второго элемента И, вход которого соединен с установочным входом счетчика,

выход третьего нуль-органа соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, отличаю щийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены неподвижный индикаторный

лимб, три дифференциальных усилителя и шесть нормирующих элементов, неподвижный лимб расположен перед фотоприемниками, в нем выполнены окна считывания, расположенные против фотоприемников и

ширина их равна целому числу шагов соответствующих растровых дорожеклротив которых они расположены.а штрихи на растровых дорожках подвижных лимбов выполнены с наклоном a arctg- , с возможностью

образования обтюрационного растрового сопряжения, где h, - высота окна считывания на неподвижном лимбе; wi - шаг растровой дорожки, выход первого фотоприемника соединен с первыми выводами первого и второго нормирующих элементов и с прямым входом первого дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом первого нуль-органа,

выход второго фотоприемника соединен с первыми выводами третьего и четвертого нормирующих элементов и с прямым входом второго дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом

второго нуль-органа, выход третьего фотоприемника соединен с первыми выводами пятого и шестого нормирующих элементов и с прямым входом третьего дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом третьего нуль-органа, вторые выводы третьего и пятого нормирующих элементов соединены с инверсным входом первого дифференциального усилителя, вторые выводы первого и шестого нормирующих элементов соединены с инверсным входом второго дифференциального усилителя, вторые выводы второго и четвертого нормирующих элементов соединены с ин- версным входом третьего дифференциального усилителя.

а

$Ф

Ф